آزمودن ِ نظریۀ ریسمان، ابر تقارن و ابعاد بالاتر در شتاب دهندۀ هادرونی

خبری که چندی پیش توجهات خبری دنیای علم و فناوری را به سرن جلب کرد اما این بار ال. اچ. سی بود. برخورد دهنده بزرگ هادرون یا همان ال. اچ. سی (The Large Hadron Collider) پس از یک وقفه طولانی با خروج از فاز تعمیرات و نوسازی؛ دوباره به کار افتاد و داده های علمی جدیدی به دست پژوهشگران داد. انرژی برخورد دهنده ذرات در این شتاب دهنده بالغ بر ۱۳ ترا الکترون ولت است. تقریبا دو برابر بیشتر از آنچه که در فاز قبلی پیش از بازسازی در سال ۲۰۱۳ بود. این میزان انرژی که در LHC شاهد آن هستیم در هیچ شتابدهنده ای در هیچ کجای دیگر دنیا نمی تواند تولید شود. بی جهت نیست که دانشمندان تا بدین پایه خوشبین اند که در سالهای آینده اکتشاف بزرگی در عرصه فیزیک نظری انجام خواهد شد.

کشف ذره بنیادی هیگز پس از مدتهای طولانی انتظار؛ تنها ماموریت LHC نبود. هرچند که این شتاب دهنده در واقع به گونه ای طراحی شده بود که با آن یا بتوان هیگز را یافت یا عدم وجودش را اثبات نمود. اما فیزیکدانها می خواهند بسیار فراتر از اینها بدانند و اکتشاف کنند. برای مثال چالش هایی مانند توضیح سرشت ماده تاریک و کشف ذرات بنیادی تشکیل دهنده آن. طبیعتا می توان امیدوار بود که چیزهایی کشف شوند که تابه حال هیچکسی تصورش را هم نکرده است. همچنین می توان به یافتن پاسخ برای پرسشی که همواره در صدر پرسش های فیزیک ذرات است؛ امید داشت:

آیا برخورد دهنده بزرگ هادرون می تواند دلیلی بر اثبات اعتبار نظریه ریسمان در اختیار ما بگذارد؟

نظریه ریسمان(String Theory) گاهی به اینکه فانتزی و خیالی است متهم می شود. با این توجیه که تا این لحظه هیچ گواه آزمایشگاهی آن را اثبات نکرده است. اما این ادعا صحیح نیست. نظریه ریسمان اساسا آنطورها هم نیست که قابل آزمون تجربی آزمایشگاهی نباشد. (هرچند که در حال حاضر صورتبندی چنین آزمایشی ابدا ساده نیست). فرضیه های غیرقابل آزمایش به صورت بنیادین قابلیت آزمون ندارند. مثلا اگر من ادعا کنم که خانه ام را با حرارت یک اژدهای بزرگ گرم می کنم که در انباری ام زندگی می کند؛ لیکن هربار که کسی بخواهد او را ببیند به محض باز کردن در ناپدید می شود. چنین ادعایی از بنیاد غیرقابل آزمودن است. نظریه ریسمان اما دقیقا بالعکس ادعایی می کند که می توان آنرا به محک آزمون تجربی آزمایشگاهی گذاشت. مشروط بر آنکه ابزار آزمایشگاهی مناسب را در اختیار داشته باشیم. چیزی که دستکم تا امروز در اختیار بشر نیست. اما این موضوع ابدا بدان معنا نیست که شرایط کاملا ناامید کننده است. زابینه هوسنفلدر فیزیکدان دقیقا در همین رابطه مقاله جالب توجهی نوشته است که مهمترین قسمت های مقاله وی را می توان چنین خلاصه نمود:

او در ابتدا توضیح می دهد که نظریه ریسمان به چه معناست. زمانی که در دهه ۸۰ میلادی مبانی این نظریه توسعه پیدا کرد ؛ هنوز مانند آنچه که نظریه ریسمان اکنون در پی آن است؛ علاقه ای مبنی بر سازگاری مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت وجود نداشت. در آن زمان تمامی تلاش ها صرفا معطوف به آن بود که راهی برای توضیح نیروی هسته ای قوی پیدا شود. نیرویی که عامل نگه داشتن کوارک ها در کنار یکدیگر بود. به همین جهت فرمالیسم ریاضی مساله به گونه ای پیش رفت که در آن، با ذره به عنوان خط یک بعدی (ریسمان) رفتار می شد. این روش امروزه همچنان برای تبیین و پیش بینی فرایند برخورد ذرات در شتاب دهنده ها به کار گرفته می شود و از قضا روش کارامدی نیز هست.

تازه پس از آن بود که از دل الگو و مفهوم ریاضی نظریه ریسمان؛ توصیف واقعیت فیزیکی در آمد و فرضیه هایی بیان شدند که در آنها ذرات ؛ (واقعا) از ریسمان های یک بعدی تشکیل شده اند. در ادامه نشان داده شد که چنین نظریه ای قادر است به نظریه گرانش کوانتومی منجر شود. دقیقا همان چیزی که دانشمندان دهه های متمادی در پی یافتن آن هستند. نظریه ریسمان اگر درست از آب در بیاید؛ می تواند (نظریه همه چیز) با به عبارتی فرمول جهان باشد، نظریه ای که با کمک آن تمامی پدیده های فیزیکی جهان را بتوان در قالب یک فرمت و صورتبندی یکتا تبیین کرد.

مساله دقیقا بر سر همین است. برای اثبات وجود ریسمان ها؛ نیاز به یک شتابدهنده داریم. شتابدهنده ای تقریبا با یکصد میلیارد بار انرژی بیش از آنچه که در LHC در جریان است. چنین چیزی ورای فناوری های حال حاضر بشریت است. ابعاد چنین دستگاهی به فرض وجود؛ برابر با تمامی کهکشان ها خواهد بود. اما آنگونه که زابینه هوسنفلدر می گوید، برخی پیش بینی های نظریه ریسمان را می توان با انرژی های کمتری در آن میزان که در دسترس LHC هم هست در معرض آزمون گذاشت. برای مثال نظریه ریسمان وجود ابعاد اضافی را پیش بینی می کند. اگر واقعا ابعاد بیش از سه بعد مختصات فضایی وجود داشته باشد؛ گرانش در مقیاس های بسیار کوچک به گونه دیگری رفتار خواهد کرد. به عبارت درگیر قوی تر عمل خواهد کرد و برای مثال می تواند در برخورد ها ؛ سیاهچاله های کوچکی ایجاد کند. LHC قادر است برخی از این پدیده ها را اثبات کند. فقط دو مساله در این رابطه هست. اول اینکه وجود ابعاد اضافی؛ الزاما پیش شرط اعتبار و صحت نظریه ریسمان نیست! دوم اینکه تا کنون نشانه متقنی از وجود ابعاد اضافی یافت نشده است.

همین مساله برای ابرتقارن(Supersymmetry) نیز برجاست. بسط مدل استاندارد فیزیک ذرات کلاسیک؛ نقش مهمی در مسایل فیزیک جدید دارد. مساله ابرتقارن کلید حل معماهای بسیاری است و پیش بینی می کند که برای هر ذره شناخته شده یک ذره متناظر ابرتقارنی وجود دارد. بسیاری از فیزیکدانان بر این باورند که ذره مورد نظر تقریبا به زودی در LHC کشف خواهد شد. اما متاسفانه حتی به فرض کشف چنین چیزی باز هم دلیلی بر صحت نظریه ریسمان به دست نیامده است! زیرا هرچند که نظریه ریسمان وجود ابرتقارن را پیش فرض می گیرد؛ ابرتقارن اما می تواند حتی بدون نظریه ریسمان هم وجود داشته باشد.

به هر حال اگر ابعاد اضافی و ابرتقارن در LHC کشف شوند؛ حجت و گواه قوی به سود نظریه ریسمان خواهد بود. دستکم نشان خواهد داد که نظریه ریسمان واجد چیزی است که ارزش بررسی های بیشتر و بیشتر را دارد. زابینه هوسنفلدر در پایان مقاله اش می نویسد: به هر حال از نظریه ریسمان به عنوان الگوی ریاضیات محض برای توضیح برخورد ذرات استفاده خواهد شد. یا برای مثال زمانی که صحبت از پلاسمای کوارک گلوئون باشد یا وضعیت ماده در دماهای فوق العاده بالا هماهنگونه که لحظاتی پس از بیگ بنگ رخ داد. برای چنین مواردی اعتبار نظریه ریسمان می تواند در LHC مورد آزمون قرار بگیرد و آن وضعیت های فیزیکی بازسازی شود. زابینه هوسنفلدر فیزیکدان می گوید: مهم نیست که LHC اعتبار نظریه ریسمان را تایید یا مردود کند آنچه مهم است این است که آزمایشهایی که طی سالهای آینده در آنجا انجام می گیرد رازهای تازه ای از ساختار جهان را برای ما افشا می کند. کسی چه می داند، شاید در پایان نظریه ای بهتر از نظریه ریسمان عایدمان کند.