Theory of Anything?

 String theory, which stretches back to the late 1960s, has become in the last 20 years the field of choice for up-and-coming physics researchers. Many of them hope it will deliver a "Theory of Everything"—the key to a few elegant equations that explain the workings of the entire universe, from quarks to galaxies.

Elegance is a term theorists apply to formulas, like E=mc², which are simple and symmetrical yet have great scope and power. The concept has become so associated with string theory that Nova's three-hour 2003 series on the topic was titled The Elegant Universe.

Yet a demonstration of string theory's mathematical elegance was conspicuously absent from Nova's special effects and on-location shoots. No one explained any of the math onscreen. That's because compared to E=mc², string theory equations look like spaghetti. And unfortunately for the aspirations of its proponents, the ideas are just as hard to explain in words. Let's give it a shot anyway, by retracing the 20^th century's three big breakthroughs in understanding the universe.

Step 1: Relativity (1905-1915). Einstein's Special Theory of Relativity says matter and energy (E and m in the famous equation) are equivalent. His General Theory of Relativity says gravity is caused by the warping of space due to the presence of matter. In 1905, this seemed like opium-smoking nonsense. But Einstein's complex math (E=mc² is the easy part) accurately predicted oddball behaviors in stars and galaxies that were later observed and confirmed by astronomers.

Step 2: Quantum mechanics (1900-1927). Relativistic math works wonderfully for predicting events at the galactic scale, but physicists found that subatomic particles don't obey the rules. Their behavior follows complex probability formulas rather than graceful high-school geometry. The results of particle physics experiments can't be determined exactly—you can only calculate the likeliness of each possible outcome.

Quantum's elegant equation is the Heisenberg uncertainty principle. It says the position (x) and momentum (p) of any one particle are never completely knowable at the same time. The closest you can get is a function related to Planck's constant (h), the theoretical minimum unit to which the universe can be quantized.

Einstein dismissed this probabilistic model of the universe with his famous quip, "God does not play dice." But just as Einstein's own theories were vindicated by real-world tests, he had to adjust his worldview when experimental results matched quantum's crazy predictions over and over again.

These two breakthroughs left scientists with one major problem. If relativity and quantum mechanics are both correct, they should work in agreement to model the Big Bang, the point 14 billion years ago at which the universe was at the same time super massive (where relativity works) and super small (where quantum math holds). Instead, the math breaks down. Einstein spent his last three decades unsuccessfully seeking a formula to reconcile it all—a Theory of Everything.

Step 3: String theory (1969-present). String theory proposes a solution that reconciles relativity and quantum mechanics. To get there, it requires two radical changes in our view of the universe. The first is easy: What we've presumed are subatomic particles are actually tiny vibrating strings of energy, each 100 billion billion times smaller than the protons at the nucleus of an atom.

That's easy to accept. But for the math to work, there also must be more physical dimensions to reality than the three of space and one of time that we can perceive. The most popular string models require 10 or 11 dimensions. What we perceive as solid matter is mathematically explainable as the three-dimensional manifestation of "strings" of elementary particles vibrating and dancing through multiple dimensions of reality, like shadows on a wall. In theory, these extra dimensions surround us and contain myriad parallel universes. Nova's "The Elegant Universe" used Matrix-like computer animation to convincingly visualize these hidden dimensions.

Sounds neat, huh—almost too neat? Krauss' book is subtitled The Mysterious Allure of Extra Dimensions as a polite way of saying String Theory Is for Suckers. String theory, he explains, has a catch: Unlike relativity and quantum mechanics, it can't be tested. That is, no one has been able to devise a feasible experiment for which string theory predicts measurable results any different from what the current wisdom already says would happen. Scientific Method 101 says that if you can't run a test that might disprove your theory, you can't claim it as fact. When I asked physicists like Nobel Prize-winner Frank Wilczek and string theory superstar Edward Witten for ideas about how to prove string theory, they typically began with scenarios like, "Let's say we had a particle accelerator the size of the Milky Way …" Wilczek said strings aren't a theory, but rather a search for a theory. Witten bluntly added, "We don't yet understand the core idea."

If stringers admit that they're only theorizing about a theory, why is Krauss going after them? He dances around the topic until the final page of his book, when he finally admits, "Perhaps I am oversensitive on this subject …” Then he slips into passive-voice scientist-speak. But here's what he's trying to say: No matter how elegant a theory is, it's a baloney sandwich until it survives real-world testing.

Krauss should know. He spent the 1980s proposing formulas that worked on a chalkboard but not in the lab. He finally made his name in the '90s when astronomers' observations confirmed his seemingly outlandish theory that most of the energy in the universe resides in empty space. Now Krauss' field of theoretical physics is overrun with theorists freed from the shackles of experimental proof. The string theorists blithely create mathematical models positing that the universe we observe is just one of an infinite number of possible universes that coexist in dimensions we can't perceive. And there's no way to prove them wrong in our lifetime. That's not a Theory of Everything, it's a Theory of Anything, sold with whizzy PBS special effects.

It's not just scientists like Krauss who stand to lose from this; it's all of us. Einstein's theories paved the way for nuclear power. Quantum mechanics spawned the transistor and the computer chip. What if 21^st-century physicists refuse to deliver anything solid without a galaxy-sized accelerator? "String theory is textbook post-modernism fueled by irresponsible expenditures of money," Nobel Prize-winner Robert Laughlin griped to the San Francisco Chronicle earlier this year.

Krauss' book won't turn that tide. Hiding in the Mirror does a much better job of explaining string theory than discrediting it. Krauss knows he's right, but every time he comes close to the kill he stops to make nice with his colleagues. Last year, Krauss told a New York Times reporter that string theory was "a colossal failure." Now he writes that the Times quoted him "out of context." In spite of himself, he has internalized the postmodern jargon. Goodbye, Department of Physics. Hello, String Studies.

آیا درون هر سیاه‌چاله، جهانی خانه دارد؟

ممکن است جهان ما هم درست مثل عروسک‌های تخم مرغی‌شکل و معروف روسی، در سیاهچاله‌ای متعلق به جهانی گسترده‌تر واقع شده باشد. در این‌صورت، هر سیاهچاله‌ای که تاکنون در جهان پیدا شده است، از ریزسیاهچاله‌ها گرفته تا ابرسیاهچاله‌ها، شاید دروازه‌های ورود به دیگر جهان‌ها باشند. 

براساس نظریه‌ای که چندان ساده هم در ذهن نمی‌گنجد، یک سیاهچاله در واقع تونلی مابین دو جهان است، به‌طوری که می‌شود آن را نوعی "کرم‌چاله" تلقی کرد. در این‌صورت هرآنچه این سیاهچاله جذب خود می‌کند، به جای سقوط در نقطه‌ای ناپیدا، از سر دیگر سیاهچاله که در جهان دیگری جوانه زده، به‌شکل یک "سفیدچاله" فوران می‌کند.

نیکودم پاپلاسکی (Nikodem Poplawski) که فیزیکدانی از دانشگاه ایندیانا است، در تشریح این نظریه که به‌تازگی در نشریه علمی Physical Letters B انتشار یافته است، چهارچوب ریاضیاتی جدیدی برای نحوه سقوط پیچشی ماده در یک سیاهچاله ارائه کرده است. این معادلات، کرم‌چاله‌ها را به‌عنوان نیمه پنهان چیزهایی می‌شناسند که اینشتین از آن‌ها با عنوان "تکینِگی‌های فضا- زمانی" یاد می‌کرد و به عقیده‌اش، در قلب هر سیاهچاله‌ای می‌شود پیدای‌شان کرد. بر اساس معادلات نسبیت عام اینشتین، هنگامی که ماده‌ای بیش از اندازه در یک نقطه فشرده شود- یعنی همان اتفاقی که برای قلب فوق فشرده یک سیاهچاله رخ داده است- یک تکینگی زاده می‌شود. این معادلات، تکینگی را فاقد بُعد، فوق چگال و بی‌نهایت داغ توصیف کرده‌اند که این ویژگی‌ها با شواهد غیر مستقیم زیادی قرین شده‌اند، اما چنان دور از ذهن و عجیب هستند که دانشمندانِ فراوانی از پذیرفتن‌شان سر بازمی‌زنند.

 

اگر حق با پاپلاسکی باشد، اجباری به پذیرفتن تعریف عجیب اینشتین از مفهوم تکینگی نیست. طبق معادلات جدیدی که وی ارائه کرده است، ماده‌ای که توسط سیاهچاله‌ها جذب و نابود می‌شود، در واقع اساس تشکیل کهکشان‌ها، ستارگان و سیاراتِ یک جهان دیگر است.

 

کرم‌چاله‌ها، به حل معمای مهبانگ هم کمکی می‌کنند؟

 

به‌گفته پاپلاسکی، جایگزین کردن مفهوم کرم‌چاله با سیاهچاله، می‌تواند حلال مشکلات زیادی در قلمرو کیهان‌شناسی نوین باشد. مثلاً طبق نظریه مهبانگ (یا همان انفجار بزرگ)، جهان از یک تکینگی زاده شد، اما دانشمندان نظر قانع‌کننده‌ای راجع به نحوه تشکیل همین تکینگی ندارند. پاپلاسکی می‌گوید اگر جهان ما از یک کرم‌چاله، به جای یک تکینگی زاده شده باشد، آنگاه "هم مشکل سیاهچاله‌ها حل خواهد شد و هم مشکل تکینگی مهبانگ".

کرم‌چاله‌ها حتی می‌توانند توضیحی برای انفجارهای پرتو گاما هم ارائه کنند که قوی‌ترین انفجارهای شناخته‌شده در کیهان، پس از انفجار بزرگ هستند. این انفجارها، در حواشی جهانِ رؤیت‌پذیر ما رخ می‌دهند. گمان می‌رود که منشاء آنها انفجار ستاره‌های نخستین در کهکشان‌های فوق‌العاده دوردست باشد، اما هنوز هیچ قطعیتی راجع به این گمانه‌زنی وجود ندارد.

 

به نظر پاپلاسکی، انفجارهای پرتوی گاما در واقع ترشح ماده از جهان‌های دیگر هستند. وی می‌گوید این ماده می‌تواند از طریق ابرسیاهچاله‌های واقع در قلب کهکشان‌ها- یا به‌گفته او، کرم‌چاله‌ها-‌ به جهان ما راه پیدا کرده باشد. هرچند هیچ توضیحی راجع به نحوه وقوع این پدیده وجود ندارد. او می‌گوید: "شاید ایده احمقانه‌ای به نظر آید، اما از کجا معلوم که اتفاق نیفتد؟"

 

دست کم یک راه برای آزمودن فرضیه پاپلاسکی وجود دارد: برخی از سیاهچاله‌های واقع در جهان ما به دور خودشان می‌چرخند و اگر جهان ما در سیاهچاله‌ای چرخنده شبیه به این‌ها متولد شده باشد، باید این چرخش را هم از مادرش به ارث برده باشد. به‌گفته پاپلاسکی، اگر مشاهدات آتی نشان از چرخش جهان ما در یک جهت مشخص بدهند، این، مدرکی غیر مستقیم در حمایت از ایده کرم‌چاله خواهد بود.

 

کرم‌چاله‌ها، به مثابه مولدان "ماده نامتعارف"

 

فیزیکدانان معتقدند که ایده کرم‌چاله می‌تواند همچنین مشخص سازد که چرا بعضی پدیده‌های خاص در جهان ما، از پیش‌بینی‌های نظری تبعیت نمی‌کنند. طبق مدل استاندارد کیهان‌شناسی، انحنای فضا بعد از وقوع مهبانگ می‌بایسته در طول زمان افزایش یافته باشد و هم‌اکنون- که ۱۳.۷ میلیارد سال از آن زمان می‌گذرد- ما می‌بایست بر سطح یک جهان بسته و کروی واقع شده باشیم، اما مشاهدات، حکایت از این می‌کند که جهان ما، در تمامی جهات، تخت و مسطح است.

 

مسئله دیگر این است که شواهد به‌دست‌آمده از نور مربوط به سنوات نخستین جهان، حکایت از توزیع فوق‌العاده همگن دما در سرتاسر جهان می‌کند. این بدین‌معناست که دورترین اجرامی که در دو سوی مختلف جهان واقع شده‌اند، روزی به هم نزدیک و در ارتباط با هم بوده‌اند، تا مثل مولکول‌های یک گاز محبوس، در وضع تعادل قرار بگیرند. در اینجا هم مشاهدات با پیش‌بینی‌ها نمی‌خواند، چراکه اجرام واقع در دو سوی جهان، چنان از هم دورند که با درنظرگرفتن سن فعلی جهان، برای مرتبط بودن‌شان، لابد با سرعتی فراتر از سرعت نور از هم دور شده‌اند.

 

کیهان‌شناسان، به‌منظور رفع این تناقض، مفهومی تحت عنوان "تورم کیهانی" را معرفی کردند. براساس نظریه تورم، جهان بلافاصله بعد از وقوع مهبانگ، جهشی ناگهانی را تجربه کرده که طی آن، فضا با سرعتی فراتر از سرعت نور انبساط پیدا کرده است (برخلاف تصور معمول، فضا، خود می‌تواند فراتر از سرعت نور حرکت کند. نسبیت خاص، تنها سرعت اجسام "درون" فضا را محدود به سرعت نور تعریف می‌کند). این انبساط، ابعاد جهان را در یک لحطه از حد و حدود یک اتم، به ابعاد قابل توجهی رساند. پس چون سطح کره‌ای که ما بر آن ایستاده‌ایم- همچون سطح کره زمین- بسیار غول‌آساست، آن را به‌شکل تخت می‌بینیم. این نظریه، مشکل چگونگی ِ ارتباط نقاط دوردست جهان در لحظه مهبانگ را هم برطرف کرده است، اما با فرض صحت داشتن تورم کیهانی، کیهان‌شناسان در توضیح عامل محرکه این جهش ناگهانی، ناتوان بوده‌اند‌ و هستند. اینجاست که تئوری کرم‌چاله به کمک می‌شتابد. به‌گفته پاپلاسکی، طبق بعضی از نسخه‌های نظریه تورم، این جهش توسط یک "ماده نامتعارف" ایجاد شده است. نوعی فرضی از ماده که به‌جای جذب شدن از طریق نیروی گرانش، در حضور این نیرو رفتاری دافعه دارد و به‌همین‌واسطه با ماده معمولی فرق می‌کند. پاپلاسکی به‌پشتوانه معادلاتش بر این عقیده است که ماده نامتعارف، محصول مرگ ستارگانِ نخستین و تبدیل‌شان به کرم‌چاله‌هاست. او می‌گوید: "باید ارتباطاتی میان ماده نامتعارفی که کرم‌چاله‌ها را شکل داده، و ماده نامتعارفی که تورم را موجب شده، وجود داشته باشد."

 

کرم‌چاله‌ها، به مثابه یک راهکار واقعی

 

نظریه‌ای که به‌تازگی ارائه شده است، نخستین نظریه‌ای نیست که به وجود جهان‌های دیگری درون سیاهچاله‌ها اشاره دارد. دمین ایسون (Damein Easson)، فیزیکدان نظری دانشگاه ایالتی آریزونا نیز در مطالعات پیشین خود، گمانه‌زنی‌های مشابهی را مطرح کرده بود. او که در این مطالعات اخیر هیچ نقشی نداشته است، می‌گوید: "چیزی که در اینجا تازگی دارد این است که یک کرم‌چاله‌ واقعی در چهارچوب نظریه نسبیت عام، نقش گذرگاهی از یک سیاهچاله بیرونی به یک جهان جدیدِ درونی را ایفا می‌کند." ایرسون، با اشاره به معادلات پاپلاسکی می‌افزاید: "در مقاله خودمان فقط امکان وجود چنین راه حلی را مطرح کرده بودیم، اما پاپلاسکی، پی به یک راه حل واقعی برده است." با این‌همه، به‌گفته وی، این ایده بسیار خیالی به‌نظر می‌رسد. "آیا چنین چیزی ممکن است اتفاق بیفتد؟ البته. می‌توان چنین سناریویی را محتمل دانست؟ نظری ندارم، اما هرچه باشد، یقیناً احتمال جذابی‌ست". مطالعات آتی در حوزه گرانش کوانتومی- که مربوط به مطالعه رفتار نیروی گرانش در ابعاد زیراتمی می‌شود – می‌تواند این معادلات را تغییر دهد و احتمالاً از نظریه پاپلاسکی پیشتیبانی یا ان را رد کند.

 

کرم‌چاله، راه حل اصلی نیست

 

ه‌بگفته آندرئاس آلبرخت (Andreas Albrecht)، فیزیکدان دانشگاه کالیفرنیا- دیویس، هرچند این نظریه روی هم‌رفته جذاب است، اما کمکی به حل معماهای مربوط به منشأ جهان ما نمی‌کند. این نظریه، با گفتن این‌که جهان ما ناشی از ترشح ماده از یک جهان دیگر است، فقط سئوالات بنیادین ما را به جایی دورتر انداخته است. به عبارت دیگر، هیچ توضیحی راجع به منشأ آن جهان دیگر نمی‌دهد و مشخص نمی‌کند آیا ویژگی‌های آن، اصلاً شبیه به همین جهان ماست، یا نه. آلبرخت می‌گوید: "برخی مسائلی که ما در پی حل‌شان برآمده‌ایم، واقعاً طاقت از کف می‌بَرند، و تازه معلوم نیست حق با کدام‌شان است."

 

با همه این‌ها، آلبرخت ایده کرم‌چاله‌های تونل‌مانند را چندان عجیب‌تر از ایده تکینگی‌های سیاهچاله‌ای نمی‌داند و هشدار می‌دهد که نباید این نظریه را به صِرف عجیب بودنش، نادیده گرفت. وی می‌گوید: "هرآن‌چه که دانشمندان در این زمینه می‌پرسند، اعجاب‌آور است. هیچ تضمینی نیست که بگویید حق با ایده‌ای‌ست که متعارف‌تر به‌نظر می‌رسد؛ چراکه از هر طرفی که قضیه را بنگرید، می‌فهمید همین پرسش، خود از پیش‌فرض‌های عجیب ایجاد شده است."

 

لینک منبع

ترجمه از: احسان سنایی

دانشمندان، موفق به نامرئی کردن زمان شدند

براساس نظریه نسبیت اینشتین، نیروی جاذبه می‌تواند سیر زمان را کندتر کند. حال فیزیکدانان پی به روشی برده‌اند که می‌توان به کمکش اصلاً سیر زمان را متوقف کرد و یا دست کم با خماندن نور و ایجاد حفره‌ای در پیوستار زمان، ادای توقفش را درآورد.

این پژوهش، در امتداد تلاش‌هایی است که اخیراً با هدف نامرئی کردن چیزها با منحرف کردن پرتوهای نور مرئی انجام شده بود. قصه از این قرار است که اگر پرتوهای نور به جای برخورد مستقیم به یک شیئی، از کنارش عبور کنند و به عبارتی افتراق یا انعکاسی که بیننده را از وجود شیئی مربوطه خبردار می‌کند، اتفاق نیافتد، آنگاه آن شیئی را "نامرئی" کرده‌ایم.

 

دانشمندان دانشگاه کرنل آمریکا هم از مفهوم مشابهی برای متوقف‌سازی زمان استفاده کرده‌اند، البته توقفی فوق‌العاده کوتاه: چیزی در حدود ۴۰ تریلیونیم ثانیه. "مثل این می‌ماند که بخواهید مسیر نور را در زمان منحرف کنید- یا به عبارتی از سرعتش کاسته، یا بر آن بیافزایید. در این‌صورت است که می‌شود از نقطه‌نظر زمانی، یک شکاف را در پرتو نور ایجاد کرد." این را الکس گائتا (Alex Gaeta) فیزیکدان دانشگاه کرنل و از نویسندگان گزارش این یافته در نشریه علمی nature می‌گوید و می‌افزاید: "با این حساب هر واقعه‌ای که در آن بازه زمانی رخ دهد، امکان تأثیر نهادن بر نور را پیدا نخواهد کرد و گویی که این واقعه اصلاً رخ نداده است."

 

مثلاً به‌گفته گائتا، کافی است که پرتوهای متقاطع لیزر را که در موزه‌ها به‌منظور حراست از آثار گران‌سنگ هنری به‌کار می‌رود، در نظر بگیریم. او می‌گوید: "یک پرتو لیزر داریم و یک حسگر که در صورت قطع جریان پرتو، فوراً آن را تشخیص می‌دهد. به‌طوری که اگر از میان پرتوهای لیزری رد شوید، آژیر به صدا درخواهد آمد، اما چه می‌شد اگر وسیله‌ای داشتیم که قسمتی از پرتو را سرعت می‌بخشید و قسمتی از آن را هم آهسته‌تر می‌کرد، به‌طوری که در مجموع باعث ایجاد توقفی‌ کوتاه در مسیر پرتو می‌شد ... شما می‌توانستید از درون این شکاف عبور کنید و این وسیله هم بلافاصله همان کاری را که کرده بود این‌ دفعه برعکس ِ بار اولش انجام می‌داد: یعنی قسمتی از پرتو را که کندتر کرده بود این‌بار سرعت می‌بخشید و قسمت دیگر را کندتر می‌کرد. این به‌نوعی موجب ترمیم شکاف می‌شد و حسگر اصلاً متوجه نمی‌شد که در این بحبوحه شما پرتوی لیزر را عملاً قطع کرده‌اید."

 

متوقف‌سازی زمان

 

گائتا و همکارانش، برای متوقف کردن زمان، یک پرتوی لیزر را بر حسگری متمرکز کردند و در این بین، آن را از وسیله‌ای شیشه‌ای از جنس فیبر نوری، موسوم به "عدسی زمان" عبور دادند. همانگونه که عدسی‌های ‌معمولی، پرتوهای نور را در فضا کانونی می‌کنند، عدسی زمان هم نحوه توزیع موقتی- نه فضایی زمان را تغییر می‌دهد. گائتا می‌گوید: "این راهی برای کنترل خواص یک پرتوی نور در حوزه زمانی مشخصی است، به‌طوری که می‌شود آن را شکل دلخواهی بخشید و کج و معوجش کرد و کارهایی از این دست را در آن بازه زمانی، روی نور انجام داد."

موتی فریدمن (Moti Fridman)، از همکاران گائتاست که او هم در دانشکده فیزیک کاربردی و مهندسی دانشگاه کرنل مشغول به فعالیت است. او موفق به ابداع روشی شده که در جریان آن، پرتوی لیزریِ تمرکزیافته بر حسگر را با یک پالس قوی لیزر از وسط قطع می‌کنیم. وی در توصیف این روش می‌گوید: "این کار باعث تغییر فرکانس و طول موج پرتوی اصلی می‌شود، به‌طوری که با تغییر سرعت پرتو، یک حفره زمانی سر وامی‌کند." یک پالس دوم لیزری هم از سوی مخالف، تغییرات پدیدآمده را خنثی می‌کند و پرتو را به خواص اولیه‌اش برمی‌گرداند.

 

این گونه بود که در جریان آزمایش، یک واقعه که در خلال این شکاف زمانی رخ داده بود، از چشم حسگر پنهان ماند. ژیمین شی (Zhimin Shi)، متخصصی از انستیتو اپتیک دانشگاه روچستر می‌گوید تا پیش از این، بحث‌های فراوانی راجع به احتمال طراحی چنین آزمایشی درگرفته بود. او که خودش نقشی در این پژوهش نداشته است، در ادامه می‌گوید: "اما این نخستین آزمایش کاملاً تجربی بود که نشان داد چگونه می‌توان دست به تولید یک شکاف زمانی زد و یک واقعه را از هم از لحاظ مکانی و هم از لحاظ زمانی، نامرئی جلوه داد."

 

شکاف‌های زمانی، نعمتی برای محاسبات رایانه‌ای

 

هرچند این پژوهش هنوز در مراحل ابتدایی به‌سر می‌برد، اما چنین دستکاری‌هایی در زمان را می‌توان روزی به کار گرفت و از آن سود جست. شی می‌گوید: "به گمان من، کسی هنوز آنقدرها توجهی به این نکرده که چه کارهایی را می‌شود از طریق این قابلیت به ثمر رساند. شاید اولین چیزی که مردم را به فکر فرو ببرد، تلاش برای نامرئی کردن یک شیئی یا پنهان کردن وقایع از طریق این شکاف‌های زمانی، مثل قصه‌های هری پاتر باشد."

 

با کمک یک عدسی زمان اما می‌شود داده‌ها را در یک مسیر پیوسته و بی‌دست‌انداز هدایت کرد. فریدمن در این‌ زمینه می‌گوید: "فکر می‌کنم اگر بتوان داده‌هایی که از میان فیبر نوری گذر می‌کنند را پنهان کرد، کارهایی فوق‌العاده قیمتی‌تر از سرقت یک شیئی عتیقه می‌توان انجام داد. با کمک عدسی زمان، شما می‌توانید جریان داده‌ها را به هر نحوی که بخواهید، دگرگون کنید و بعد از آن دوباره همه‌چیز را به وضع اولش برگردانید." مثلاً می‌توان این روش را در طراحی نسل آتی پردازنده‌ها، به‌منظور ارتقای سرعت پردازش یا برای تقویت جریان انتقال داده در شبکه اینترنت و رایانه‌ها به کار گرفت.

 

با این‌حال به‌گفته شی، هر قابلیتی را هم که بتوان از این یافته به دست آورد، حتماً منوط به تولید وقفه‌های زمانی طولانی‌تری خواهد بود. به‌علاوه، پژوهشگران باید این روش را در یک محیط سه‌بعدی، که نور از جهات مختلفی به یک شیئی می‌تابد امتحان کنند، نه یک تک‌پرتو که تنها در آزمایشگاه استفاده می‌شود.

 

به‌هرحال این گام اول است و آزمایش پژوهشگران کرنل، مزایای قابل توجهی به دنبال خواهد داشت. شی می‌گوید: "می‌شود اینطور هم به قضیه نگاه کرد که ما موفق به درک بهتر زمان و مکانی شده‌ایم که در آن زندگی می‌کنیم."

ترجمه از "اجسان سنایی"

String theory calculations describe 'birth of the universe'

Researchers in Japan have developed what may be the first string-theory model with a natural mechanism for explaining why our universe would seem to exist in three spatial dimensions if it actually has six more. According to their model, only three of the nine dimensions started to grow at the beginning of the universe, accounting both for the universe's continuing expansion and for its apparently three-dimensional nature.

String theory is a potential "theory of everything", uniting all matter and forces in a single theoretical framework, which describes the fundamental level of the universe in terms of vibrating strings rather than particles. Although the framework can naturally incorporate gravity even on the subatomic level, it implies that the universe has some strange properties, such as nine or ten spatial dimensions. String theorists have approached this problem by finding ways to "compactify" six or seven of these dimensions, or shrink them down so that we wouldn't notice them. Unfortunately, Jun Nishimura of the High Energy Accelerator Research Organization (KEK) in Tsukuba says "There are many ways to get four-dimensional space–time, and the different ways lead to different physics." The solution is not unique enough to produce useful predictions.

These compactification schemes are studied through perturbation theory, in which all the possible ways that strings could interact are added up to describe the interaction. However, this only works if the interaction is relatively weak, with a distinct hierarchy in the likelihood of each possible interaction. If the interactions between the strings are stronger, with multiple outcomes equally likely, perturbation theory no longer works.

Matrix allows stronger interactions

Weakly interacting strings cannot describe the early universe with its high energies, densities and temperatures, so researchers have sought a way to study strings that strongly affect one another. To this end, some string theorists have tried to reformulate the theory using matrices. "The string picture emerges from matrices in the limit of infinite matrix size," says Nishimura. Five forms of string theory can be described with perturbation theory, but only one has a complete matrix form – Type IIB. Some even speculate that the matrix Type IIB actually describes M-theory, thought to be the fundamental version of string theory that unites all five known types.

The model developed by Sang-Woo Kim of Osaka University, Nishimura, and Asato Tsuchiya of Shizuoka University describes the behaviour of strongly interacting strings in nine spatial dimensions plus time, or 10 dimensions. Unlike perturbation theory, matrix models can be numerically simulated on computers, getting around some of the notorious difficulty of string-theory calculations. Although the matrices would have to be infinitely large for a perfect model, they were restricted to sizes from 8 × 8 to 32 × 32 in the simulation. The calculations using the largest matrices took more than two months on a supercomputer, says Kim.

Physical properties of the universe appear in averages taken over hundreds or thousands of matrices. The trends that emerged from increasing the matrix size allowed the team to extrapolate how the model universe would behave if the matrices were infinite. "In our work, we focus on the size of the space as a function of time," says Nishimura.

'Birth of the universe'

The limited sizes of the matrices mean that the team cannot see much beyond the beginning of the universe in their model. From what they can tell, it starts out as a symmetric, nine-dimensional space, with each dimension measuring about 10^–33 cm. This is a fundamental unit of length known as the Planck length. After some passage of time, the string interactions cause the symmetry of the universe to spontaneously break, causing three of the nine dimensions to expand. The other six are left stunted at the Planck length. "The time when the symmetry is broken is the birth of the universe," says Nishimura.

"The paper is remarkable because it suggests that there really is a mechanism for dynamically obtaining four dimensions out of a 10-dimensional matrix model," says Harold Steinacker of the University of Vienna in Austria.

Hikaru Kawai of Kyoto University, Japan, who worked with Tsuchiya and others to propose the IIB matrix model in 1997, is also very interested in the "clear signal of four dimensional space–time". "It would be a big step towards understanding the origin of our universe," he says. Although he finds that the evolution of the model universe in time is too simple and different from the general theory of relativity, he says the new direction opened by the work is "worth investigating intensively".

Will the Standard Model emerge?

The team has yet to prove that the Standard Model of particle physics will show up in its model, at much lower energies than this initial study of the very early universe. If it leaps that hurdle, the team can use it to explore cosmology. Compared with perturbative models, Steinacker says, "this model should be much more predictive".

Nishimura hopes that by improving both the model and the simulation software, the team may soon be able to investigate the inflation of the early universe or the density distribution of matter, results which could be evaluated against the density distribution of the real universe.

اولين آزمايش رصدي از نظريه «جهان‌هاي چندگانه»!

نظريه مبتني بر قرار داشتن جهان در يك حباب و اينكه جهان‌هاي چندگانه جايگزين در حبابهاي خود وجود داشته و چندجهاني را ايجاد مي‌كنند، براي اولين بار توسط فيزيكدانان مورد آزمايش قرار گرفته است. دو پژوهش كه در مجلات «Physical Review Letters» و «Physical Review D» منتشر شده‌اند، براي اولين بار به شرح چگونگي بررسي نشانه‌هاي ساير جهان‌ها پرداخته‌اند.

فيزيكدانان اكنون در حال مطالعه بر روي الگوهاي ديسك مانند در تابش زمينه كيهاني هستند كه محققان آن را يادگاري از انفجار بزرگ مي‌دانند و مي‌تواند شاهدي بر برخوردهاي بين ساير جهان‌ها با جهان ما باشد. بسياري از نظريه‌هاي مدرن فيزيك پايه بر اين فرض استوارند كه جهان ما در يك حباب قرار دارد. علاوه بر حباب ما، اين چندجهاني در ساير حباب‌ها قرار داشته كه هر كدام ممكن است در خود يك جهان ديگر داشته باشند. در ديگر دنياهاي چندگانه، ثابت‌هاي بنيادين و حتي قوانين اوليه طبيعت نيز ممكن است متفاوت باشد.

تا كنون كسي قادر به شناسايي راهي براي جست‌وجوي كارآمد از نشانه‌هاي برخوردهاي حباب جهان و همچنين اثبات چندجهاني در تابش زمينه كيهاني نبوده چرا كه الگوهاي ديسك مانند در تابش ممكن است در بخشي از آسمان وجود داشته باشند. علاوه بر آن، فيزيكدانان نيازمند آزمايش الگوهاي شناسايي شده براي درك اين مطلب بودند كه آيا آنها در نتيجه برخورد به وجود آمده يا تنها چند الگوي اتفاقي در دادهاي شلوغ بوده‌اند.

تيمي از كيهان‌شناسان دانشگاه كالج لندن، امپريال کالج لندن و موسه فيزيك نظري پريميتر اكنون بر اين مشكل فائق آمده‌اند. اين تيم به شبيه‌سازي‌هايي از فضا با يا بدون برخوردهاي كيهاني پرداخته و يك الگوريتم جالب براي تعيين تناسب بهتر هركدام با داد‌ه‌هاي تابش زمينه كيهاني كاوشگر ناهمسان‌گرد ريزموج ويلكينسون ناسا(WMAP) ايجاد كردند. آنها اولين حد فوقاني رصد شده را بر تعداد نشانه‌هاي برخوردهاي حبابي در آسمان تابش زمينه كيهاني قرار دادند.

دانشمندان تاكيد كرده‌اند كه اين نتايج براي تاييد فرضيه چندجهاني يا شناسايي كامل نشانه برخورد حبابي به اندازه كافي قطعي نيست، با اين حال داده‌هاي WMAP تنها مرجع اين ستاره‌شناسان نبوده و داده‌هاي جديد به دست آمده از ماهواره پلانك سازمان فضايي اروپا به حل اين معما كمك خواهد كرد.

چرخه‌هاي بي‌پايان تولد و نابودي كيهاني (نظريه برخورد تناوبي جهان‌ها باهمديگر)

براساس متون كهن برجاي مانده از دوران هند باستان، كل جهان به طور متناوب چرخه‌هاي كيهاني تولد و نابودي را پشت سر مي‌گذارد. جهان متولد مي‌شود و كهكشان‌ها، ستاره‌ها و سيارات به آرامي شكل مي‌گيرند و داستان حيات آغاز مي‌شود. اين داستان ادامه دارد تا اينكه نهايتاً پس از به پايان رسيدن يك دوره كيهاني، عمر جهان  به پايان رسيده و كل كيهان نابود مي‌شود و بعد دوباره چرخه كيهاني جديدي آغاز مي‌شود و اين داستان همينطور از ازل تا ابد ادامه مي‌يابد. جالب اينجاست كه مسأله چرخه‌هاي متناوب تولد و نابودي كيهاني در بسياري ديگر از تمدن‌هاي باستاني نيز به چشم مي‌خورند. مثلاً در تقويم سنگي آزتك‌ها در آمريكاي جنوبي نيز چرخه‌هاي كيهاني به طور نمادين حك شده‌اند. اما آيا دانش كيهان‌شناسي نوين هم وجود اين چرخه‌هاي كيهاني را تأييد مي‌كند؟

بلي. اكنون چند دهه است كه مي‌دانيم جهان ما به واسطه رويدادي به نام مهبانگ (بيگ بنگ) به وجود آمده است. اما در اينجا يك سؤال مهم مطرح است. آيا ممكن است پيش از مِهبانگ و پيدايش جهان ما، جهان‌هاي ديگري هم موجود بوده باشند؟ آري. چند سال پيش يعني در سال 2002، دو فيزيكدان و كيهان‌شناس به نام‌هاي پائول اشتاينهارد از دانشگاه پرينستون آمريكا و نيل توراك از دانشگاه كمبريج انگلستان مشتركاً سناريويي را ارائه دادند كه بر مبناي آن، مهبانگ درواقع آغاز زمان نبوده بلكه صرفاً آغاز يك چرخه كيهاني جديد است.

مدل اشتاينهارد و توراك بر اساس نظريه ريسمان‌ها يعني مهم‌ترين رهيافت موجود براي وحدت بخشيدن مابين دو ستون اصلي فيزيك جديد يعني نظريات نسبيت عام و مكانيك كوانتومي شكل گرفته است. براساس اين مدل، جهان ما درواقع يك اَبَرصفحه 4 بُعدي است كه در ابعاد بالاتر كائنات شناور است. اما در همسايگي جهان ما در پهنه كائنات، جهان‌هاي ديگري هم شناورند كه ممكن است در هر يك از آنها قوانين فيزيك كاملاً متفاوتي حاكم باشد. اين جهان‌ها هر از چندگاه به همديگر برخورد كرده و از اين برخورد، انرژي فوق‌العاده عظيمي در هر يك از آنها آزاد خواهد شد. اين برخورد كيهاني درواقع همان مهبانگ (بيگ بنگ) است.

به واسطه همين برخورد، هر دو اَبَرصفحه - يعني هر دو جهان - شروع به انبساط خواهند كرد. اما از آنجائيكه ما همواره در يكي از اين دو اَبَرصفحه (يعني جهان خود) مقيد بوده‌ايم، در ظاهر تصور مي‌كنيم كه مِهبانگ همان آغاز جهان بوده است، غافل از اينكه پيش از آن هم جهان ديگري وجود داشته است. بر اساس اين مدل، دو جهان پس از برخورد، مجدداً از يكديگر جدا شده و شروع به دور شدن از همديگر خواهند كرد اما فاصله گرفتن آنها از يكديگر سرانجام به واسطه نيروي جاذبه موجود ميان آنها متوقف شده و دوباره به سوي همديگر كشيده خواهند شد و نهايتاً پس از چند صد ميليارد سال مجدداً با يكديگر برخورد خواهند كرد. با برخورد مجدد آنها دوباره مقدار عظيمي انرژي به هر يك از آنها تزريق خواهد شد، گويي كه مِهبانگ (بيگ بنگ) جديدي رخ داده است و اين چرخه بي‌پايان تولد و نابودي كيهاني همينطور تا ابد ادامه خواهد يافت.

به نقل از  New Scientist

چرا ما در سه بعد زندگي مي‌كنيم؟

آيا اينكه زمين ما سه بعد دارد، اتفاقي است يا بايد برايش دنبال يك تعبير عميقتر گشت؟ بعضي از تئوريسين‌ها معتقدند كه فضاي به وجودآمده بر اثر انفجار بزرگ، تنها به صورت اتفاقي از سه بعد تشكيل گشت و ممكن است قسمتهاي ديگري از جهان هستي وجود داشته باشند كه ابعادشان متفاوت باشد.
مثلاً هيچ دليل منطقي نمي‌توان يافت براي پاسخ به اين سوال كه چرا مثلاً جهان هستي فقط دو بعد ندارد. چندصد سال پيش، ادوين آبوت اثري به نام "زمين مسطح" نوشت كه در آن جهاني دوبعدي را تصوير كرد. جهاني كه در آن اجسام و موجودات حيات خود را تنها بر روي "سطح" ادامه مي‌دادند. اما فيزيك جهان دوبعدي با فيزيك جهان ما بسيار متفاوت خواهد بود. براي مثال در فضاي دو بعدي، امواج به شفافيت انتشار در فضاي سه بعدي، پخش نمي‌شوند و باعث ايجاد انواع مشكلات در سيگنال‌رساني و انتقال اطلاعات مي‌گردند. و نيز از آنجايي كه زندگي آگاهانه، به فرآيند انتقال درست و صحيح اطلاعات بستگي دارد، در نتيجه اين تفاوتها كافي خواهند بود براي اينكه مشاهدات ما را تنها در حد مناطقي ناشناخته محدود نگاه دارند.

تصور كردن فراتر از سه بعد نيز مشكلات مختلفي به همراه خواهد داشت. در چنين حالتي، سيستمهاي نجومي و سياره‌يي غيرممكن مي‌شوند چرا كه عكس قانون جاذبه يعني قانون قدرتهاي افزايشي به وجود خواهد آمد. در نتيجه به نظر مي‌رسد كه جهان سه بعدي تنها جهاني است كه وجود دارد و فيزيكدانها مي‌توانند درباره‌اش بنويسند. اما نكات ريزي وجود دارد كه باعث مي‌شود اين فرضيه با شك و ترديد همراه باشد.

شايد فضا سه بعدي نيست و تنها اينگونه براي ما نشان داده مي‌شود. شايد فضا ۹ يا ۱۰ بعد دارد و حتي ابعاد بيشتر! برخي از تئوريهايي كه قصد يكپارچه‌سازي نيروهاي طبيعت را دارند مانند فرضيه‌ي فرا-رشته‌يي، امكان وجود تعداد ابعاد بيشتري نسبت به آنچه كه ما مي‌بينيم را رد نمي‌كنند.
دليلشان نيز اين است كه بسياري از معادلاتي كه براي توصيف وضعيت موجود به كار مي‌روند، با در نظر گرفتن تعداد بيشتر ابعاد، نتايج بهتري مي‌دهند! در نتيجه نمي‌توان آن را كاملاً بي‌معني دانست. ابعاد اضافي فضا، سابقه‌ي حل بسياري از مشكلات و مسايل حل‌ناشدني فيزيك را دارند. براي مثال اينشتين براي توصيف كردن جاذبه، به يك بعد اضافي نياز داشت و آن، زمان بود. و تئودور كالوتزا نيز يك بعد به سه بعد اثبات شده اضافه كرد چرا كه مي‌خواست نظريات جاذبه را با فرضيات ماكس‌ول در مورد الكترومغناطيس، همگون سازد.

مطمئناً ما نمي‌توانيم بعد چهارم را ببينيم اما اين هم احتمالاً يك دليل دارد. اين بعدهاي اضافه، مي‌توانند بسيار كوچك و فشرده شوند. يك لوله‌ي پليمري آب را از دور در نظر بگيريد. مانند يك خط دراز و معوج به نظر مي‌رسد. از يك بعد نزديكتر آن را نگاه كنيد. به شكل تيوب يا لوله ديده مي‌شود. اما آنچه كه در حقيقت اين لوله را مي‌سازد، يك سطح دايره‌يي شكل كوچك است كه دور محيط لوله چرخيده است. به طور مشابه، بعد چهارم نيز مي‌تواند چنين لوله‌يي باشد كه دور فضاي سه‌بعدي مي‌چرخد اما آنقدر كوچك است كه ديده نمي‌شود.

در نتيجه تصور كردن ابعاد بسيار زيادتري كه اينگونه در فضا پنهان‌ شده‌اند، به راحتي ممكن است. اما متاسفانه نظريه‌ي فرا-رشته‌يي هنوز دقيقاً سه بعد گشوده‌شده را تاييد نمي‌كند در نتيجه براي تصور ما نسبت به جهان هستي هم تعريف درستي نمي‌توان ارايه داد.
اما براي تصور كردن يك بعد جديد، راههاي ديگري هم هست. فرض كنيد نيروهاي فيزيكي بتوانند نور و جسم را به يك صفحه‌ي سه‌بعدي مسطح يا ورقي‌شكل تقليل دهند و محدود كنند در حالي كه به برخي پديده‌هاي ديگر فيزيكي اجازه مي‌دهند تا وارد بعد چهارم شوند. ساكن شدن سطوح دو بعدي به جاي اجسام سه‌بعدي در فضاهاي مشخص باعث مي‌شود تا هر جسم و پديده‌يي به شكل طرح و نقشه‌اش نشان داده شود. مثلاً ما يك توپ كره‌يي شكل را به صورت دايره ببينيم! به طريق مشابه، ممكن است ادعا شود كه ما در حال حاضر تنها تصويري سه بعدي از اجسام و مفاهيمي را مي‌بينيم كه در واقع چهاربعدي هستند.

اما فضاي "سه لايه‌يي" ما مي‌تواند تنها در چهار بعد نيز محدود نشود. لايه‌هاي قابل كشف ديگري نيز مي‌توانند وجود داشته باشند كه در فضاي چهاربعدي حضور دارند. اثبات اين فرضيه، انجام آزمايشهايي تازه را مي‌طلبد كه وجود بعد چهارم را نيز به ما نشان دهد. اما اين نظريه وجود دارد كه برخورد لايه‌هاي چندبعدي در مقياسهاي اين‌چنيني مي‌تواند به تكرار شدن "انفجار بزرگ" منجر گردد در نتيجه حضور ما بر روي كره‌ي زمين شايد اصلاً مويد همين مطلب باشد كه فضا واقعاً سه‌بعدي نيست!

نظريه ريسمان بيان مي كند كه انفجار بزرگ سرمنشأ عالم نیست

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. 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.

نظریه ریسمان و ابعاد اضافه

معرفی نظریه ریسمان و ابعاد بیشتر به زبان ساده، توسط فیزیکدان نظری، برایان گرین

سخنران یکی از نظریه‌پردازان «نظریه ابرریسمان» است که علت وجود ذرات بنیادی و نیروهای طبیعت را نحوه نوسان تارهای ریز مرتعش انرژی در ۱۱ بعد فضایی می‌داند. از زمان اینشتین، یافتن یک «نظریه یکپارچه» از رویاهای فیزیکدانان بوده است، و به عقیده شماری از فیزیکدانان شاید نظریه ابرریسمان کاندید خوبی برای این مقصود باشد. این فرضیه فعلا در حد معادلات ریاضیاتی است و هنوز امکان آزمون آن در جهان واقعی وجود ندارد. شاید آزمایشگاه‌های جدید فیزیک مثل برخورددهنده بزرگ هادرونی امکان تست این ایده جالب را فراهم کنند.

دانلود ویدیو با زیرنویس فارسی

ریسمان های اسرارآمیز کیهانی

در ميان تمامي پديده‌هاي عجيب و غريب و شگفت‌انگيز موجود در پهنه كائنات بدون شك ريسمان‌هاي كيهاني جايگاهي ويژه دارند، ريسمان‌هايي از انرژي خالص كه از اين سوي كيهان تا آن سوي آن امتداد دارند! اين ريسمان‌ها علي‌رغم طول بسيار زياد خود (كه به چندین ميليارد سال نوري هم مي‌رسد) بسيار باريكند و ضخامتي كمتر از يك پروتون دارند! ريسمان‌هاي كيهاني چگالي خارق‌العاده‌اي دارند به‌طوري كه فقط يك متر از آنها از كل يك قاره سنگين‌تر است. اگر يكي از اين ريسمان‌ها از ميان كره زمين عبور كند، كل سياره ما را در چشم بر هم زدني همانند پشم حلاجي شده متلاشي مي‌كند.

احتمال وجود ريسمان‌هاي كيهاني براي نخستين‌بار در دهه 1980 توسط كيهان‌شناسان مطرح شد. بر اساس مدل‌هاي كيهان‌شناسي، ريسمان‌هاي كيهاني بايد بر اثر انرژي آزاد شده در لحظه آفرينش جهان در پهنه كيهان پديدآمده و شروع به ارتعاش كرده باشند، ارتعاشي كه هنوز هم ادامه دارد. هرچند چنين ريسمان‌هايي هنوز به‌طور رصدي در پهنه كيهان مشاهده نشده‌اند اما محاسبات صورت گرفته نشان مي‌دهد كه اين ريسمان‌ها بايد جايي در گستره جهان وجود داشته باشند. آنها با سرعتي نزديك به سرعت نور در پهنه كيهان در حال حركتند و با حركت و ارتعاشات خود، فضا و زمان را به لرزه درمي‌آورند

اما از همه اينها عجيب‌تر آنكه ريسمان‌هاي كيهاني در حالت‌هاي خاصي حتي مي‌توانند نقش ماشين زمان را ايفا كنند. فيزيكداني به نام ريچارد گات از دانشگاه پرينستون آمريكا با استفاده از معادلات نسبيت عام اينشتين نشان داده است كه اگر دو ريسمان كيهاني با سرعت زيادي در حال رد شدن از كنار همديگر باشند، حلقه‌هاي بسته‌اي در بُعد زمان در پيرامون خود ايجاد خواهند كرد به‌طوري كه يك سفينه فضايي با دور زدن حول اين دو ريسمان مي‌تواند به زماني در گذشته‌هاي دور بازگردد.

 

Stephen Battersby, "Cosmic string: The search continues", New Scientist, 23 Feb 2008

نظریه جهان های تو در تو: آیا در دل هر جهانی، جهان دیگری نهفته است؟

ممکن است کل جهان ما در درون یک سیاهچاله واقع در یک جهان بزرگتر نهفته باشد و آن جهان بزرگتر هم به نوبه خود در دل سیاهچاله دیگری در یک جهان بازهم بزرگتر پنهان باشد و این تو در تویی جهان ها ممکن است تا بینهایت همینطور ادامه داشته باشد! به همین ترتیب ممکن است در دل هریک از سیاهچاله های جهان ما هم جهان های دیگری پنهان باشند و در دل سیاهچاله های آن جهان ها بازهم جهان های دیگر و همینطور تا بینهایت...

این نظریه شگفت انگیز به تازگی توسط فیزیکدانی به نام نیکودم پاپلاوسکی از دانشگاه ایندیانای آمریکا مطرح شده است. پاپلاوسکی هنگامی به احتمال وجود جهان های تو در تو پی برد که مشغول کار بر روی یکی از نسخه های تعمیم یافته نظریه نسبیت عام اینشتین موسوم به نظریه اینشتین-کارتان بود. پاپلاوسکی قصد داشت به کمک این نظریه، فرآیند دقیق تشکیل سیاهچاله ها را هنگام فروپاشی گرانشی ستاره ها مورد بررسی قرار دهد. پاپلاوسکی در کمال تعجب دریافت که هنگامی که چگالی ماده در فرآیند تشکیل سیاهچاله ها به آستانه فوق العاده بالای 10 به توان 50 کیلوگرم بر متر مکعب می رسد، نیرویی اسرارآمیز که از خمش خود فضا ناشی می شود به ناگهان به صورت یک نیروی دافعه در مرکز سیاهچاله ظاهر می شود. این نیرو به حدی قدرتمند است که نه تنها در برابر فروپاشی کامل گرانشی مقاومت میکند بلکه فرآیند فروپاشی را معکوس کرده و آنرا به یک انبساط کیهانی تبدیل میکند

اما این انبساط کیهانی دقیقاً مشابه انبساط کل جهان ماست. بدین ترتیب پاپلاوسکی با بررسی دقیق تر معادلات توصیف کننده رفتار سیاهچاله ها به کمک نظریه اینشتین-کارتان به این نتیجه رسید که ممکن است واقعاً در دل هر سیاهچاله ای، یک جهان دیگر نهفته باشد. اما ازآنجائیکه در دل هریک از جهان ها - ومن جمله جهان ما - هم سیاهچاله های متعددی وجود دارند بنابراین ممکن است واقعاً در دل هر جهانی، جهان های متعدد دیگری پنهان باشند و این تو در تویی جهان ها می تواند تا بینهایت تکرار شود.

 

"Every black hole may hold a hidden universe", New Scientist, 23 July 2010

آیا ممکن است بُعد زمان به ناگهان از پهنه کائنات محو شود؟

زمان یکی از ابعاد بنیادین جهان ما است. تمامی تحولات جهان - از حرکت ابرها در آسمان گرفته تا تغییر فصول و از زندگی ما انسان ها گرفته تا چرخش کهکشان ها - همگی در بستر زمان صورت میگیرند. اما آیا ممکن است بُعد زمان به ناگهان از پهنه جهان محو شده و همه چیز در پهنه کیهان متوقف شود؟ هرچند باورنکردنی به نظر می رسد اما فیزیکدانی به نام خوزه سنوویلا و گروه تحقیقاتی اش در دانشگاه باسک در شهر بیلبائو در اسپانیا دقیقاً به چنین نتیجه ای رسیده اند

سنوویلا و همکارانش هنگامی به این نتیجه شگفت انگیز رسیدند که مشغول کار بر روی نظریه ریسمان ها در فیزیک و کاربرد آن در عرصه کیهان شناسی بودند. نظریه ریسمان ها یکی از مهم ترین نظریات مطرح در فیزیک امروز است که دو پایه بنیادین فیزیک جدید یعنی فیزیک کوانتومی و نسبیت عام اینشتین را با همدیگر پیوند می دهد. براساس نظریه ریسمان ها کائنات بجای 4 بُعدی، 11 بُعدی است. بر مبنای این نظریه در گستره این هستی 11 بُعدی، جهان های بیشماری با ابعاد فضا-زمانی مختلف شناورند که جهان ما فقط یکی از این میلیاردها میلیارد جهان است. به عبارتی کل جهان ما همانند یک حباب 4 بُعدی است که در گستره نامتناهی اَبَرفضای 11 بُعدی شناور است. اما در گستره بیکران اَبَرفضا به غیر از جهان ما بیشمار جهان دیگر هم شناورند که هریک ابعاد فضا-زمانی خاص خود را دارند. اما براساس نظریه ریسمان ها، ابعاد فضایی یا زمانی این جهان ها می توانند به همدیگر تبدیل شوند

درواقع محاسبات سنوویلا و همکارانش برمبنای نظریه ریسمان ها نشان می دهد که این پدیده شگفت انگیز هم اکنون در جهان ما در حال رخ دادن است: زمان در جهان ما در حال کُند شدن است و این روند همچنان ادامه خواهد یافت تا نهایتاً پس از میلیاردها سال بُعد زمان به طور کلی از پهنه کیهان محو شده و به بُعد مکان تبدیل خواهد شد. در آن هنگام همه چیز در گستره کیهان ناگهان متوقف خواهد شد و این لحظه از زندگی جهان دقیقاً همانند لحظه ای که با دوربین عکاسی ثبت شود برای همیشه در خاطره کیهانی ثبت خواهد شد. آری اینجا پایان زمان است، پایان تمامی رویدادها، ماجراها و داستان هایی که در طول این میلیاردها سال در جای جای جهان ما ورق خورده است. و بدین ترتیب داستان زندگی کل جهان ما که با بیگ بنگ (مِهبانگ) متولد و آغاز شده بود برای همیشه به پایان می رسد و به خاطره کیهانی خواهد پیوست.

 

"Is time slowing down?", New Scientist, No 2635

Nature's building blocks brought to life

These colourful shapes are part of a project launched last week to create a periodic table of shapes to do for geometry what Dmitri Mendeleev did for chemistry in the 19th century. The three-year project could result in a useful resource for both mathematicians and theoretical physicists to aid calculations in a variety of fields from number theory to atomic physics. But those hoping to buy the wall chart may need to invest in a bigger house as there are likely to be thousands of these basic building blocks from which all other shapes can be formed.

"The periodic table is one of the most important tools in chemistry. It lists the atoms from which everything else is made, and explains their chemical properties," says project leader Alessio Corti, based at Imperial College in the UK. "Our work aims to do the same thing for three-, four- and five-dimensional shapes – to create a directory that lists all the geometric building blocks and breaks down each one's properties using relatively simple equations."

The scientists are looking for shapes, known as "Fano varieties", which are basic building blocks and cannot be broken down into simpler shapes. They find Fano varieties by looking for solutions to a variety of string theory, a theory that seeks to unify quantum mechanics with gravity. String theory assumes that in addition to space and time there are other hidden dimensions and particles can be represented by vibrations along tiny strings that fill the entire universe.

According to the researchers, physicists can study these shapes to visualize features such as Einstein's space–time or subatomic particles. For the shapes to actually represent practical solutions, however, researchers must look at slices of the Fano varieties known as Calabi–Yau 3-folds. "These Calabi–Yau 3-folds give possible shapes of the curled-up extra dimensions of our universe," explains Tom Coates, another member of the Imperial team.

Coates says that the periodic table could also help in the field of robotics. These machines are operating in increasingly higher dimensions as they develop more life-like movements. Robot engineers could use the new geometries discovered for the project to help them develop the increasingly complicated algorithms involved with robotic motion.

The periodic table project is an international collaboration between scientists based in London, Moscow, Tokyo and Sydney, led by Corti at Imperial College London and Vasily Golyshev in Moscow. Given the large time differences involved, the team communicates using social media including a project blog, instant messaging and a Twitter feed. Team member Al Kasprzyk, based at the University of Sydney, says, "These tools are essential. With some of us at working in Sydney while others are asleep in London, blogging is an easy way to exchange ideas and keep up to speed."

کشف شواهد وجود دنیاهای موازی با جهان ما

با کشف چهار الگوی دایروی در تابش زمینه کیهانی دانشمندان حدس می‌زنند این الگوها مربوط به محل برخورد دیگر جهان‌های موازی با دنیای ما باشد. تایید یا رد این فرضیه در گرو اطلاعات فضاپیمای پلانک است

در اوایل قرن بیستم، دانشمندان توانستند با خیره شدن به دوردست‌های عالم و مشاهده آن‌چه در حال وقوع است، نظریه‌ای برای نحوه شکل‌گیری جهان ارائه دهند. طبق این نظریه، همه چیز با یک انفجار بزرگ آغاز شد، انفجاری که بلافاصله با یک دوره کوتاه از انبساط فوق سریع که تورم خوانده می‌شود، همراه شد. شاید این سرآغاز همه چیز باشد، اما اخیرا گروهی از دانشمندان این فرضیه را مطرح کرده‌اند که شاید چیزی قبل از آن وجود داشته که شرایط اولیه را برای تولد جهان ما فراهم کرده است. 

به گزارش نیو ساینتیست، گروهی از محققان به رهبری استفان فینی در بررسی موضوع پیش مهبانگ، چهار الگوی دایره‌ای را در تابش زمینه کیهانی کشف کرده‌اند که وجود آنها از نظر آماری بسیار بعید است.

دانشمندان تصور می‌کنند که اینها نشانه‌هایی از کوفتگی دنیای ما هستند که حاصل برخورد آن با دنیاهای دیگر است. اگر این حدس درست باشد، این یافته نخستین مدرکی است که وجود دنیاهای دیگری به غیر از دنیای ما (دنیاهای موازی) را ثابت می‌کند.

این ایده که دنیاهای دیگری در آن بیرون وجود دارد چیز تازه‌ای نیست. دانشمندان قبلا این فرضیه را مطرح کرده‌اند که شاید ما در شرایطی چند دنیایی زندگی می‌کنیم که از بی‌نهایت دنیا تشکیل شده است. مفهوم چنددنیایی ریشه در مفهوم تورم ابدی دارد.

 

در این مفهوم، دوره تورمی که دنیای ما بلافاصله پس از مهبانگ آن را تجربه کرد، تنها یکی از بی‌شمار دوره‌های تورمی است که در قسمت‌های مختلف فضا اتفاق می‌افتد و هنوز هم ادامه دارد.

هم‌زمان با توقف تورم در بخشی از فضا، بخش دیگری از آن شاهد تورم خواهد بود. در این حالت دنیاهای جدید به طور پیوسته در یک گستره وسیع و رو به رشد فضا-زمان به وجود می‌آیند؛ همان‌طور که یک حباب پس از تولید شدن به سرعت فضای اطراف خود را با خصوصیات فیزیکی‌اش پر می‌کند.

تورم ابدی همان‌گونه که از نام آن نیز بر می‌آید، بی‌نهایت بار اتفاق می‌افتد و بی‌نهایت دنیا را به وجود می‌آورد که منجر به خلق چنددنیایی می‌شود.

این دنیاهای بی‌نهایت گاهی اوقات دنیاهای حبابی نامیده می‌شوند، ولو این‌که شکل نامنظمی داشته باشند. دنیاهای حبابی می‌توانند به اطراف حرکت کنند و گه‌گاه با سایر دنیاهای حبابی برخورد می‌کنند. اگر دنیای ما با یک دنیای حبابی دیگر برخورد کند، این تصادف انفجارهای عظیمی از انرژی به دنبال خواهد داشت.

اگر این برخورد قبل از اتمام تورم دنیای ما رخ داده باشد، ممکن است از خود ردی به جای گذاشته باشد که تا امروز نیز قابل ردیابی باشد. این همان چیزی است که فینی و همکارانش کشف کرده‌اند.

 آن‌طور که فینی و همکارانش در مقاله‌شان توضیح می‌دهند، چنین برخوردی دوام تورم را در ناحیه برخورد تغییر می‌دهد که باعث ایجاد ناهمسانی‌هایی در کیهان‌شناسی داخل حباب می‌شود که در تابش زمینه کیهانی خود را نشان می‌دهد. اگر تورم بیش از مقدار معمول طول بکشد، چگالی ماده در ناحیه برخورد کمتر از نواحی اطراف خواهد بود.

 این مساله خود را به شکل نقطه‌ای سرد در تابش زمینه کیهانی نشان می‌دهد. به طور عکس، دوره کوتاه‌تری از تورم منجر به ایجاد یک نقطه گرم در این تابش می‌شود. این دانشمندان با استفاده از الگوریتمی که به دنبال برخوردهای حبابی با مشخصات خاصی در تابش زمینه کیهانی می‌گشت، توانستند چهار الگوی دایره‌ای را کشف کنند.

 با این وجود، این محققان تایید می‌کنند که یافتن طیف وسیعی از مشخصات غیرمحتمل آماری در یک مجموعه داده بزرگ مانند تابش زمینه کیهانی کار ساده‌ای است. در نتیجه برای تایید این ادعا، تحقیقات بیشتری لازم است. موضوعی که با استفاده از داده‌های ماهواره پلانک که تفکیک‌پذیری آن سه برابر بهتر از ماهواره دبلیومپ ناسا -که نقشه فعلی تابش زمینه کیهانی توسط آن تهیه شده- است، در کوتاه مدت قابل دستیابی است.

اگر داده‌های آتی وجود یک برخورد حبابی را تایید کنند، باعث تقویت نظریه‌های دیگر مانند نظریه ریسمان می‌شود که مستلزم وجود تعداد بی‌شماری دنیا با مشخصات متفاوت هستند. چنین کشفی منجر به ایجاد یک بینش عمیق نه فقط نسبت به دنیای خودمان، بلکه نسبت به تمام دنیاهای چندگانه ماورای آن خواهد شد.

مکانیک کوانتوم در قرنی که گذشت... بخش نهایی؛ "نظریه ریسمان"

نظریه ریسمان:

در دهه شصت، جئوفری چیو، از دانشگاه کالیفرنیا، نظریه جدیدی پیشنهاد کرد که به ذرات بنیادی، نمودارهای فاینمن و نظریه بازبهنجارش وابسته نبود. به جای فرض یک رشته قواعد پیچیده و در برگیرنده چگونگی برهم کنش ذرات بنیادی معینی با ذرات دیگر با کمک نمودارهای فاینمن، نظریه چیو، تنها خواستار این بود که ماتریس S که برخورد ذرات را به صورت ریاضی تشریح می کند، خود سازگار باشد. نظریه چیو بر پایه این فرض قرار گرفت که ماتریس S شدیدا تابع مجموعه ای از خواص ریاضی باشد. او سپس فرض کرد که این خواص باید آن قدر محدود کننده باشند که تنها یک راه حل امکان پذیر باشد. از آنجا که رویکرد چیو کاملا بر پایه ماتریس S و نه ذرات بنیادی یا نمودارهای فاینمن قرار داشت، نظریه او «نظریه ماتریس S» نامیده شد. دو نظریه میدان کوانتومی و ماتریس S؛ بر پایه فرضیه های مربوط به معنای «ذره بنیادی» قرار دارند. نظریه میدان کوانتومی بر پایه این فرضیه قرار دارد که کلیه مواد، از مجموعه کوچکی از ذرات بنیادی تشکیل شده اند در حالیکه نظریه ماتریس S، بر پایه تعداد بینهایتی از ذرات که هیچ یک از آنها بنیادی نیستند، قرار دارد.

در سال 1968، دو فیزیکدان جوان گابریل ونزیانو و ماهیکو سوزوکی که هر یک به طور مستقل در مرکز تحقیقات هسته ای سرن در نزدیکی ژنو مشغول به کار بودند؛ سوال ساده ای را در یک جمع دوستانه مطرح کردند: اگر ماتریس S باید از این همه خواص محدود کننده طبیعت پیروی کند، در این صورت چرا سعی نکنیم که جواب آن را حدس بزنیم؟ آنها این کار را با کمک جداول مفصل ریاضی که از قرن هیجدهم ریاضیدانان جمع آوری کرده بودند به پیش بردند تا به تابع بتـا، فرمول ریاضی بسیار زیبایی که برای اولین بار، ریاضیدان سویسی لئونادر اویلر در قرن نوزدهم نوشته بودند، رسیدند. پس از بازبینی خواص تابع بتـا، آنها با تعجب دریافتند که این تابع خود به خود تقریبا با تمام فرضیه های چیو در مورد ماتریس S، سازگار است. فرمول اویلر، یک شبه سر و صدای فراوانی در دنیای فیزیک به راه انداخت. ظاهرا نظریه ماتریس S، بر نظریه میدان کوانتومی پیروز شده بود. صدها مقاله تهیه شد که در آنها سعی می شد همخوانی داده های بسیاری که از اتم شکنها، به دست می آمد، با تابع بتـا نشان داده شود. مقالات زیادی مخصوصا در مورد حل فرضیه آخر چیو که هنوز بلاتکلیف مانده بود؛ یعنی عدم رعایت تابع بتـا از یکانی یا پایستگی احتمال، نوشته شد. خیلی سریع، تلاشهای برای پیشنهاد حتی نظریه پیچیده تری که داده های تجربی در آنها بهتر جا بیفتند، انجام گرفت. به زودی جان شوارتز و فیزیکدان فرانسوی آندره نوو که هر دو در آن زمان در دانشگاه پرینستون کار می کردند و پیر رامون که در آن زمان در آزمایشگاه ملی شتابدهنده در نزدیکی شیکاگو کار می کردند، نظریه ای پیشنهاد کردند که ذرات با «اسپین» را در خود جای می داد. نظریه ای که سرانجام نظریه ریسمان شد. با وجود اهمیت تابع بتـا، یک موضوع قابل ایراد برجای ماند: آیا خواص عالی این فرمول تنها تصادفی بود یا از ساختار زیر بنایی فیزیکی عمیق تری بر می خاست؟ جواب این سوال در 1970، زمانی ارائه شد که یوشیرو نامبو از دانشگاه شیکاگو نشان داد که این تابع برجسته بتـا، مدیون خواص ریسمانهای برهم کنش کننده است. موقعی که این رهیافت جدید، در نظریه نوو، شوارتز و رامون به کار گرفته شد؛ نظریه کنونی ریسمان به وجود آمد.

نظریه ریسمان بهترین جنبه های نظریه ماتریس S و نظریه میدان کوانتومی را که از بسیاری جهات مخالف یکدیگر هستند، ترکیب می کند. نظریه ریسمان، چون بر پایه واحدهای بنیادی ماده قرار دارد، به نظریه میدان کوانتومی شبیه است. اما نظریه ریسمان، به جای در نظر گرفتن ذرات نقطه ای، بر پایه ریسمانهایی که از طریق نمودارهای شبه فاینمن، شکسته می شوند و دوباره شکل می گیرند، قرار دارد. برتری بارز نظریه ریسمان به میدان کوانتومی آن است که باز بهنجارش ضروری نیست. تمام نمودارهای حلقه ای در هر سطح، احتمالا خود به خود محدود هستند و بنابراین نیازی به حذف بینهایتها نیست. به طرز مشابهی؛ چون نظریه ریسمان می تواند تعداد بینهایتی از ذرات بنیادی را در خود جای دهد، به نظریه ماتریس S شباهت دارد. طبق این نظریه، انواع بینهایت ذراتی که در طبیعت یافت می شوند، تنها تشدیدهای مختلف همان ریسمان هستند و هیچ ذره ای از ذره دیگر بنیادی تر نیست. اما برتری چشمگیری که نظریه ریسمان نسبت به نظریه ماتریس S دارد، امکان محاسبه با نظریه ریسمان و در نتیجه به دست آوردن اعدادی برای ماتریس S است. (عکس این کار؛ یعنی انجام محاسبه با نظریه ماتریس S و استخراج اعداد قابل استفاده، بسیار مشکل است.)

حال مسئله این بود که روشن شود از برخورد ریسمانها، چه واقعه ای رخ میدهد؟ از آنجا که هر مد ریسمان نمایشگر یک ذره است؛ درک چگونگی برخورد ریسمانها به ما اجازه می داد که ماتریس S برهم کنشهای عادی ذرات را محاسبه کنیم. سه فیزیکدان که در دانشگاه ویسکانسین کار می کردند، پیشنهاد جدیدی را ارائه کردند. این پیشنهاد مبتنی بر آن بود که آخرین فرض برجای مانده ماتریس S چیو (یگانه بودن)، می توانست به همان روش نظریه باز بهنجارش؛ یعنی اضافه کردن حلقه ها حل شود. به عبارت دیگر این فیزیکدانان پیشنهاد کردند که نمودارهای فاینمن را دوباره برای این ریسمانها وارد میدان کنند. پیشنهاد آنها سرانجام توسط کاکو و همکار او لوپینگ یو، هنگامی که در دانشگاه کالیفرنیا دانشجو بودند و همچنین کلود لولاس که در آن زمان در مرکز سرن کار می کرد و وی. آلساندرینی، فیزیکدان آرژانتینی تکمیل شد.

به طور خلاصه می توان ذکر کرد که دو گونه ریسمان وجود دارد: ریسمانهای باز که انتها دارند و ریسمانهای بسته که دایره ای شکل هستند. نظریه میدان برهم کنشهای ریسمان را کاکو و کیجی کیکاوا در 1974 تکمیل کردند. آنها نشان دادند که کل نظریه ریسمان را می توان به صورت یک نظریه میدان کوانتومی، نه بر پایه ذرات نقطه ای بلکه بر پایه ریسمانهای مرتعش خلاصه کرد. هنگامی که نمودارهای فاینمن برای ریسمانهای برهم کنش کننده شناخته شد، حذفهای پی در پی جالبی روی داد که ظاهرا موجب حذف کلیه عبارتهای بینهایت و دستیابی به یک جواب محدود شد. در حال حاضر می دانیم که اثبات فقدان واگرایی نظریه ریسمان، نیاز به توپولوژی پیشرفته جبری دارد.

با وجود اینکه نظریه ریسمان طرح تخیلی ریاضی بسیار زیبایی بود و به نظر می آمد که با بعضی از داده های برهم کنشهای قوی همگرایی دارد، مشکلات نا امید کننده ای در این مدل مطرح شد:

* تعداد ذرات پیش بینی شده توسط این نظریه، بیش از اندازه بود. نظریه ذراتی داشت مانند «گراویتون» ها (بسته های کوانتومی نیروی گرانشی) و «فوتون» ها عمل می کردند. در واقع پایین ترین ارتعاش ریسمان بسته، به گراویتون و پایین ترین ارتعاش یک ریسمان باز، به فوتون مربوط می شد. [البته این صرفا برای نظریه ای که تشریح برهم کنشهای قوی و نه گرانش و الکترومغناطیس از آن انتظار می رفت، فاجعه آمیز بود. ولی در عین حال این مطلب موهبتی ناخواسته بود که در آن زمان مورد توجه قرار نگرفت. گرانش و برهم کنشهای نور که در مدل ریسمان اتفاق می افتد؛ دقیقا همان چیزی است که برای ایجاد یک نظریه میدان واحد مورد نیاز است]

* همچنین به نظر می رسید که نظریه، وجود ذراتی به نام «تاکیون» ها را پیش بینی می کند که با سرعتی فراتر از سرعت نور حرکت می کنند. این ذرات از آن جهت نامطلوب هستند که به طور غیرمستقیم، علیت را زیر پا می گذارند.

* در نهایت، فیزیکدانان کشف کردند که نظریه اصلی، تنها در بیست و شش بعد خودسازگار است.!

برای دانشمندانی که عادت داشتند در چهار بعد متعارف بیندیشند، این نظریه، بیشتر به نظرشان شبیه به داستانهای علمی تخیلی و نه علم واقعی می رسید؛ در نتیجه نظریه ریسمان در حدود سال 1974 محبوبیت خود را از دست داد و اکثریت فیزیکدانان با احساس تردید، این الگو را کنار گذاشتند.

دهه بین 1974 و 1984 برای مدل ریسمان، دهه عقب نشینی بود. اغلب فیزیکدانان در زمینه نظریاتی چون الکتروضعیف و نظریه یگانگی بزرگ که پیشرفت سریعی داشت کار می کردند. تنها دانشمندانی که خیلی علاقه مند بودند مانند مایکل گرین از کالج کوئین مری لندن و جان شوارتز از موسسه فناوری کالیفرنیا، نظریه را به پیش بردند. در سال 1976، چند نفر از فیزیکدانان سعی کردند با پیشنهادی که به نظر بیگانه می آمد، جان دوباره ای به نظریه ببخشند. جوئل شرک از پاریس و جان شوارتز توصیه کردند که الگوی ریسمان، از نو تفسیر شود. آنها تصمیم گرفتند که از یک عیب، یک حسن بسازند. شاید این «گراویتون» و «فوتون» ناخواسته نظریه، در واقع همان گراویتون و فوتون حقیقی باشد. با این رهیافت، نظریه ریسمان، نظریه درستی بود که برای یک مسئله غلط به کار گرفته شده بود. به جای اینکه این نظریه، تنها نظریه برهم کنشهای قوی باشد، در حقیقت یک نظریه جهان شمول بود! اما تفسیر دوباره مدل ریسمان، با بدبینی بسیاری رو به رو شد.

برداشت فیزیکدانان این بود که نظریه ریسمان برای اینکه با واقعیت تطبیق کند، دارای تقارن زیادی است. با وجود اینکه مدل ریسمان، مورد بی مهری قرار گرفت، اما بسیاری از تولیدات جانبی آن روی موضوعات مختلف فیزیک نظری در دهه 1974 تا 1984 گرده افشانی کردند. نظریه ریسمان، چنان ساختار نظری غنی داشت که موضوعات جانبی که در چار چوب این نظریه بررسی شده بود، در داخل جامعه فیزیک، گردش می کرد. به عنوان مثال؛ کن ویلسون از دانشگاه کرنل، از مفهوم تازه ریسمان برای پیشنهاد اینکه کوارکها به صورت همیشگی با یک جسم چسبناک به هم پیوند داده شده اند، استفاده کرد. نظریه ویلسون پیشنهاد کرد که گلوئونهای یانگ میلز که در نظریه کوارک پیدا شده و معمولا خود را به صورت ذرات نشان می دادند، ممکن است در پاره ای از شرایط به صورت یک خمیر شیرینی چسبناک «متراکم شده» و کوارکها را به هم فشرده نگه دارند. وی همچنین بیان کرد که احتمالا این ذرات گلوئون به ریسمان های خمیر گونه ای که کوارکها در انتهای آن هستند، خیلی شبیه به چگالیده شدن بخار آب به قطرات آب می شوند. بر پایه این منطق، کوارکها را هرگز نمی توان دید زیرا برای همیشه توسط ریسمانها محبوس شده اند. نظریه ریسمان ویلسون، از نظر اصولی، توانمندی کافی برای محاسبه تقریبا همه خواص برهم کنشهای قوی را دارد. ویلسون به پاس پیشگامی در این زمینه که «گذارهای فازی» نام گرفته است در 1983 به دریافت جایزه نوبل مفتخر شد. مطلب دیگری که از نظریه ریسمان بیرون آمد، «ابر تقارن» بود که می توانست در نظریه های چهار بعدی نیز کاربرد داشته باشد و در اواخر دهه 1970 بسیار مورد پسند واقع شد. چند سال بعد، نوع عالیتری از ابر تقارن پیشنهاد شد که گرانش را نیز در بر میگرفت و «ابر گرانش» نامگذاری شد. این نظریه ابتدا توسط پتر نیوونهویتزن، دان فریدمن و سرگیو فرارا که در آن زمان در دانشگاه ملی نیویورک در استونی بروک بودند شکل گرفت و اولین گسترش غیر ابتدایی معادلات اینشتین پس از شصت سال شد. بالاخره، حتی نظرگاه منفی فیزیکدانان علیه ابعا بالاتر فضا زمان، با رواج الگوهای کالوتزا کلاین در اوایل دهه 1980، شروع به ازهم پاشیدگی کرد. پاره ای از پدیده های کوانتومی می توانست حتی نظریه های با ابعاد بالاتر را از نظر فیزیکی پذیرا باشند. اما هنوز نیز نظریه ای که بزرگترین مجموعه از تقارنهای شناخته شده علم را در بر می گرفت، به طور کامل غیر قابل استفاده تلقی میشد و این بخاطر بروز «نابهنجاریها» بود.

یکی از نتایج جنبی ترکیب مکانیک کوانتومی و نسبیت، نابهنجاریها هستند. این نابهنجاریها بسیار ریزند؛ اما نقصهای ریاضی مخربی در نظریه میدان کوانتومی ایجاد می کنند که باید از بین برده شده یا حذف شوند. هر نظریه، با وجود این نابهنجاریها، معنا و مفهوم خود را از دست می دهد. نابهنجاریها در اغلب نظریاتی که شامل تقارن هستند، ظاهر می شوند. ادوراد ویتن و لوئیز آلوارز گم از دانشگاه پرینستون به این نتیجه دست یافتند که اگر از نظریه میدان کوانتومی برای بیان گرانش در برهم کنش با ذرات دیگر استفاده شود، نظریه مملو از نابهنجاریهای مخرب خواهد شد. سپس در 1984، گرین و شوارتز مشاهده کردند که الگوی ریسمان به قدر کافی تقارن دارد تا نابهنجاریها را یک بار و برای همیشه از خود دور کند. حال تقارن ریسمان که زمانی زیباتر از آن به نظر می آمد که کاربرد عملی داشته باشد، به صورت کلیدی برای حذف تمام بینهایتها و نابهنجاریها در آمده است. این تحول تکان دهنده، در ظرف چند ماه نظریه ریسمان را به تنها امید پیش روی فیزیکدانان برای دستیابی به نظریه یگانگی میدان تبدیل کرد. تعداد مقالات منتشر شده در زمینه ریسمان که در اوایل دهه 1980 بسیار محدود بود، به بیش از هزار مقاله در 1995 رسید و این نظریه را به صورت نیروی حاکم در زمینه فیزیک نظری درآورد.

پ.ن: از مجموعه مقالات مدیریت وبلاگ

جهان هاي موازي

آيا نسخه دومي از شما ، يك رونوشت از خود شما وجوددارد كه همين الان مشغول خواندن اين مقاله باشد؟

آيا شخصي ديگر با اينكه شما نيست، روي سياره اي به نام زمين با كوه هاي مه گرفته ، مزارع حاصل خيز و شهرهاي بي در و پيكر در منظومه خورشيدي كه هشت سياره ديگر نيز دارد، زندگي مي كند؟ آيا زندگي اين شخص از هر لحاظ درست عين زندگي شما بوده است؟ اگر جوابتان مثبت است ، شايد در اين لحظه او تصميم بگيرد اين مقاله را تا همين جا رها كند در حالي كه شما به خواندن مقاله تا انتها ادامه خواهيد داد.

نظريه جهان هاي موازي

انديشه وجود يك خود ديگر نظير آنچه كه در بالا شرح آن رفت عجيب و غير معقول به نظر مي رسد، اما آنگونه كه از قرائن بر مي آيد انگار مجبوريم آن را بپذيريم. زيرا مشاهدات نجومي از اين انديشه غير مادي پشتيباني مي كنند. بنابر اين پيش بيني ساده ترين و پر طرافدار ترين الگوي كيهان شناسي كه امروزه وجود دارد، اين است كه هر يك از ما يك جفت (همزاد) داريم كه در كهكشاني كه حدود 280 ^ 10 متر دورتر از زمين قراردارد، زندگي مي كنند. اين مسافت آنچنان زياد است كه بطور كامل خارج از هر گونه امكان بررسي هاي نجومي است اما اين امر واقعيت وجود نسخه دوم ما را كمرنگ نمي كند. اين مسافت بر اساس نظريه احتمالات مقدماتي برآورده شده و حتي فرضيات خيالپردازانه فيزيك نوين را نيز در بر نگرفته است .

فضاي بيكران

اينكه فضا بيكران است و تقريبا بطور يكنواخت از ماده انباشته شده است، چيزي كه مشاهدات هم آن را تأييد مي كنند. در فضاي بي كران حتي غير محتمل ترين رويدادها نيز بالاخره در جايي ، اتفاق خواهند افتاد. در اين فضا، بينهايت سياره مسكوني ديگر وجود دارد، كه نه تنها يكي بلكه تعداد بيشماري از آنها مردماني دارند كه شكل ظاهري، نام و خاطرات آنها دقيقا همان هاست كه ما داريم. به ساكناني كه تمامي حالت هاي ممكن ار گزينه هاي موجود در زندگي ما را تجربه مي كنند. من و شما احتمالا هرگز "خود" هاي ديگران را نخواهيم ديد.

وسعت عالم

دورترين فاصله اي كه ما قادر به ديدن آن هستيم، مسافتي است كه نور در مدت 14 ميليارد سال كه از انفجار بزرگ و آغاز انبساط عالم سپري شده است، طي مي كند. دورترين اجرام مرئي هم اكنون حدود 26^10×4 متر دور تر از زمين قرار دارند. اين فاصله كه عالم قابل مشاهده توسط ما را تعريف مي كند. به طور مشابه ، عالم هاي خود هاي ديگر ما كراتي هستند به همين اندازه ، كه مركزشان روي سياره محل سكونت آنهاست. چنين تركيبي ساده ترين و سر راست ترين نمونه از جهان هاي موازي است. هر جهان تنها بخشي كوچك از "جهان چند گانه" بزرگتر است.

جدال فيزيك و متا فيزيك

با اين تعريف از جهان ممكن است شما تصور كنيد كه مفهوم جهان چند گانه تا ابد در محدوده قلمرو متا فيزيك باقي خواهد ماند. اما بايد توجه داشت كه مرز ميان فيزيك و متا فيزيك را اين مسأله كه يك نظريه از لحاظ تجربه قابل آزمون است، يا خير تعيين مي كند نه اين موضوع كه فلان نظريه شامل انديشه هاي غريب و ماهيت هاي غير قابل مشاهده است . مرز هاي فيزيك به تدريج با گذر زمان فراتر رفته و اكنون مفاهيمي است بسيار انتزاعي تر نظير زمين كروي ، ميدان الكترو مغناطيسي نامرئي ، كند شدن گذر زمان در شرعتهاي بالا ، برهم نهي كوانتومي ، فضاي خميده و سياهچاله ها را در بر گرفته است. طي چند سال گذشته مفهوم جهان چند گانه نيز به اين فهرست اضافه شده است . پايه اين انديشه بر نظرياتي است كه امتحان خو را به خوبي پس داده اند. نظرياتي همچون نسبيت و نظريه مكانيك كوانتومي ، افزون بر آن به دو قاعده اساسي علوم تجربي نيز وفادار است. كه پيش بيني مي كنند و مي توانند آن را دستكاري نمايند .

انواع جهان هاي موازي

دانشمندان تاكنون چهار نوع جهان موازي متفاوت را تشريح كرده اند. هم اكنون پرسش كليدي وجود يا عدم جهان چند گانه نيست ، بلكه سوال بر سر تعداد سطوحي است كه چنين جهان مي توان داشته باشد. يكي از نتايج متعدد مشاهدات كيهان شناسي اخير اين بوده است كه جهان هاي موازي ديگر مفهومي خيالپردازانه و انتزاعي صرف نيست. به نظر مي رسد كه اندازه فضا بينهايت است. اگر اين گونه باشد، بالاخره در جايي از اين فضا هر چيزي كه امكان پذير باشد واقعيت خواهد يافت. اصلاً مهم نيست كه امكان پذيري آن تا چه حد نامتحمل است. فراسوي محدوده ديد تلسكوپ هاي ما ، نواحي ديگري از فضا كاملا شبيه آنچه كه پيرامون ماست وجود دارند آن نواحي يكي از انواع جهان هاي موازي هستند. دانشمندان حتي مي توانند محاسبه كنند كه اين جهان ها بطور متوسط چقدر با ما فاصله دارند و مهم تر از همه اينكه تمامي اينها فيزيك حقيقي و واقعي است. زماني كه كيهان شناسان با نظرياتي روبرو مي شوند كه از استحكام لازم برخوردار نيستند، نتيجه مي گيرند كه جهان هاي ديگر مي توانند ويژگيها و قوانين فيزيكي كاملا متفاوتي داشته باشند. وجود اين جهان ها بسياري از جنبه هاي پرسش بنيادي در خصوص ماهيت زمان و قابل درك بودن جهان فيزيكي را پاسخ داد.

A Theory of Everything

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 formation of stars and galaxies), the electromagnetic force (which is responsible for light, heat, electricity, and magnetism; and which is also responsible for holding atoms together), the weak nuclear force (which acts inside atomic nuclei, and is responsible for a certain kind of radioactive decay), and the strong nuclear force (which holds together the protons and neutrons in atomic nuclei, and is therefore crucial to the stability of matter). At the moment, physicists have separate theories for each of these forces, but they would like one unified theory of all four. That goal has partly been realized in that they now have a theory which unifies two of these forces - the electromagnetic and weak forces - but unifying all four is proving to be extremely difficult. Nonetheless, most TOE physicists are confident this goal will be realized in the next few decades.

Theoretical physicist, Steven Weinberg, who played a major role in unifying the electromagnetic and weak forces (for which he was awarded the Noble Prize, along with colleagues Abdul Salam and Sheldon Glasgow), has called a theory of all four forces "a final theory." When physicists find this theory, he and others have suggested, then physics will have effectively achieved its end. Now the entire physical universe would be encompassed by a set of equations - or perhaps just one equation. But the question would still remain, what would that equation mean?

 

لینک منبع 

لینک مرجع مقاله

M-Theory , The Theory Fromerly Known As Strings

The Standard Model

In the standard model of particle physics, particles are considered to be points moving through space, tracing out a line called the World Line. To take into account the different interactions observed in Nature one has to provide particles with more degrees of freedom than only their position and velocity, such as mass, electric charge, color (which is the "charge" associated with the strong interaction) or spin.

The standard model was designed within a framework known as Quantum Field Theory (QFT), which gives us the tools to build theories consistent both with quantum mechanics and the special theory of relativity. With these tools, theories were built which describe with great success three of the four known interactions in Nature: Electromagnetism, and the Strong and Weak nuclear forces. Furthermore, a very successful unification between Electromagnetism and the Weak force was achieved (Electroweak Theory), and promising ideas put forward to try to include the Strong force. But unfortunately the fourth interaction, gravity, beautifully described by Einstein's General Relativity (GR), does not seem to fit into this scheme. Whenever one tries to apply the rules of QFT to GR one gets results which make no sense. For instance, the force between two gravitons (the particles that mediate gravitational interactions), becomes infinite and we do not know how to get rid of these infinities to get physically sensible results.

String Theory

In String Theory, the myriad of particle types is replaced by a single fundamental building block, a `string'. These strings can be closed, like loops, or open, like a hair. As the string moves through time it traces out a tube or a sheet, according to whether it is closed or open. Furthermore, the string is free to vibrate, and different vibrational modes of the string represent the different particle types, since different modes are seen as different masses or spins.

One mode of vibration, or `note', makes the string appear as an electron, another as a photon. There is even a mode describing the graviton, the particle carrying the force of gravity, which is an important reason why String Theory has received so much attention. The point is that we can make sense of the interaction of two gravitons in String theory in a way we could not in QFT. There are no infinities! And gravity is not something we put in by hand. It has to be there in a theory of strings. So, the first great achievement of String Theory was to give a consistent theory of quantum gravity, which resembles GR at macroscopic distances. Moreover String Theory also possesses the necessary degrees of freedom to describe the other interactions! At this point a great hope was created that String Theory would be able to unify all the known forces and particles together into a single `Theory of Everything'.

From Strings to Superstrings

The particles known in nature are classified according to their spin into bosons (integer spin) or fermions (odd half integer spin). The former are the ones that carry forces, for example, the photon, which carries electromagnetic force, the gluon, which carries the strong nuclear force, and the graviton, which carries gravitational force. The latter make up the matter we are made of, like the electron or the quark. The original String Theory only described particles that were bosons, hence Bosonic String Theory. It did not describe Fermions. So quarks and electrons, for instance, were not included in Bosonic String Theory.

By introducing Supersymmetry to Bosonic String Theory, we can obtain a new theory that describes both the forces and the matter which make up the Universe. This is the theory of superstrings. There are three different superstring theories which make sense, i.e. display no mathematical inconsistencies. In two of them the fundamental object is a closed string, while in the third, open strings are the building blocks. Furthermore, mixing the best features of the bosonic string and the superstring, we can create two other consistent theories of strings, Heterotic String Theories.

However, this abundance of theories of strings was a puzzle: If we are searching for the theory of everything, to have five of them is an embarrassment of riches! Fortunately, M-theory came to save us.

Extra dimensions...

One of the most remarkable predictions of String Theory is that space-time has ten dimensions! At first sight, this may be seen as a reason to dismiss the theory altogether, as we obviously have only three dimensions of space and one of time. However, if we assume that six of these dimensions are curled up very tightly, then we may never be aware of their existence. Furthermore, having these so-called compact dimensions is very beneficial if String Theory is to describe a Theory of Everything. The idea is that degrees of freedom like the electric charge of an electron will then arise simply as motion in the extra compact directions! The principle that compact dimensions may lead to unifying theories is not new, but dates from the 1920's, since the theory of Kaluza and Klein. In a sense, String Theory is the ultimate Kaluza-Klein theory.

For simplicity, it is usually assumed that the extra dimensions are wrapped up on six circles. For realistic results they are treated as being wrapped up on mathematical elaborations known as Calabi-Yau Manifolds and Orbifolds.

M-theory

Apart from the fact that instead of one there are five different, healthy theories of strings (three superstrings and two heterotic strings) there was another difficulty in studying these theories: we did not have tools to explore the theory over all possible values of the parameters in the theory. Each theory was like a large planet of which we only knew a small island somewhere on the planet. But over the last four years, techniques were developed to explore the theories more thoroughly, in other words, to travel around the seas in each of those planets and find new islands. And only then it was realized that those five string theories are actually islands on the same planet, not different ones! Thus there is an underlying theory of which all string theories are only different aspects. This was called M-theory. The M might stand for Mother of all theories or Mystery, because the planet we call M-theory is still largely unexplored.

There is still a third possibility for the M in M-theory. One of the islands that was found on the M-theory planet corresponds to a theory that lives not in 10 but in 11 dimensions. This seems to be telling us that M-theory should be viewed as an 11 dimensional theory that looks 10 dimensional at some points in its space of parameters. Such a theory could have as a fundamental object a Membrane, as opposed to a string. Like a drinking straw seen at a distance, the membranes would look like strings when we curl the 11th dimension into a small circle.

Black Holes in M-theory

Black Holes have been studied for many years as configurations of spacetime in General Relativity, corresponding to very strong gravitational fields. But since we cannot build a consistent quantum theory from GR, several puzzles were raised concerning the microscopic physics of black holes. One of the most intriguing was related to the entropy of Black Holes. In thermodynamics, entropy is the quantity that measures the number of states of a system that look the same. A very untidy room has a large entropy, since one can move something on the floor from one side of the room to the other and no one will notice because of the mess - they are equivalent states. In a very tidy room, if you change anything it will be noticeable, since everything has its own place. So we associate entropy to disorder. Black Holes have a huge disorder. However, no one knew what the states associated to the entropy of the black hole were. The last four years brought great excitement in this area. Similar techniques to the ones used to find the islands of M-theory, allowed us to explain exactly what states correspond to the disorder of some black holes, and to explain using fundamental theory the thermodynamic properties that had been deduced previously using less direct arguments.

Many other problems are still open, but the application of string theory to the study of Black Holes promises to be one of the most interesting topics for the next few years.