نظریه‌ ریسمان جهان‌هایی بسیار کمتر از آنچه می‌پنداشتیم خلق می‌کند

برخی فیزیک‌دانان معتقدند، مشکل نظریه‌ی ریسمان این است که جهان‌های بی‌شماری ایجاد می‌کند. این نظریه، وجود نه فقط یک جهان، بلکه ۱۰۵۰۰ نسخه از دستگاه‌های فضا-زمانی را مطرح می‌کند که هر کدام قوانین فیزیکی مخصوص به خود را دارند. اما نظریه ریسمان با وجود این همه جهان، چطور می‌تواند وجود ویژگی‌های جهان خودمان را توجیه کند؟

برخی نظریه‌پردازان معتقدند که اگر نگوییم همه، اما بسیاری از این جهان‌ها غیرممکن یا ممنوعه هستند؛ زیرا فاقد انرژی تاریک پایدارند. این انرژی، نیرویی فرضی است که به گسترش کیهان سرعت می‌بخشد. به‌نظر آنان، حذف تعداد زیادی از جهان‌های ممکن، نه‌تنها مشکلی ایجاد نمی‌کند؛ بلکه پیشرفتی بزرگ برای نظریه‌ی ریسمان محسوب می‌شود؛ زیرا امکان پیش‌بینی‌های قابل آزمایش را افزایش می‌دهد. اما بقیه معتقدند جهان‌های متعدد همچنان به قوت خود باقی هستند و مسئله‌ی مطرح‌شده برای آن‌ه،ا اصلاً مسئله محسوب نمی‌شود.

در کنفرانسی درباره‌ی نظریه‌ی ریسمان با حضور نظریه‌پردازان این رشته که در ژوئن ۲۰۱۸ در ژاپن برگزار شد، این موضوع تبدیل به بحثی داغ شد. اولف دنلیسون، فیزیک‌دان دانشگاه اوپسالا از سوئد می‌گوید:

موضوع واقعا جدید است و تبدیل به بحثی جنجال‌برانگیز در این رشته شده است.

گفتگوها حول دو مقاله‌ی خاص می‌چرخیدند که به مبحث «چشم‌انداز» نظریه‌ی ریسمان پرداخته‌اند. چشم‌انداز کیهانی، تعداد بی‌شمار و غیرقابل درکِ جهان‌های ممکن است که نتیجه‌ی پاسخ‌های متعدد و متفاوت به معادلات نظریه‌ی ریسمان هستند و مواد تشکیل‌دهنده‌ی کیهان مانند انرژی تاریک را به‌دست می‌دهند. اما اغلب پاسخ‌هایی که تاکنون پیدا شده‌اند، از لحاظ ریاضی متناقض‌اند و این دو مقاله پیشنهاد کرده‌اند که چنین نتایجی متعلق به «باتلاقِ» جهان‌های ناممکن، و نه چشم‌انداز هستند. دانشمندان از سال‌ها پیش می‌دانستند که سرنوشت بسیاری از راه‌حل‌های معادلات همین است، اما این ایده که اغلب یا شاید تمام جواب‌های چشم‌انداز جزئی از باتلاق ناممکن باشند؛ تغییری بزرگ است. از نظر کامران وفا، فیزیک‌دان دانشگاه هاروارد که روی این دو مقاله کار کرده است؛ در واقع شاید یافتن راه‌حلی صحیح برای نظریه‌ی ریسمان که شامل انرژی تاریک پایدار نیز بشود، از لحاظ نظری غیرممکن باشد.

غرق در چندجهانی

نظریه‌ی ریسمان تلاش دارد تمام عالم هستی را به‌وسیله‌ی یک نظریه‌ی واحد یا «نظریه‌ی همه‌چیز» (theory of everything) توضیح دهد و برای این کار ابعاد دیگری از فضا-زمان را مطرح کرده و ذرات اتمی را ریسمان‌های مرتعش بسیار ریزی در نظر گرفته است. بسیاری از نظریه‌پردازان هنوز معتقدند این نظریه، بهترین راه برای تحقق رؤیای آلبرت انیشتین درباره‌ی پیوند دادن نظریه‌ی کلی نسبیت خود با دنیای ناهمگون مکانیک کوانتوم میکروسکوپی است. اما ایده‌ی چشم‌انداز کیهانی در این نظریه که وجود جهان‌های بسیاری را پیش‌بینی می کند، باعث ناامیدی بسیاری از فیزیک‌دانان شده است. پاول اشتاینهارت، فیزیکدان دانشگاه پرینستون که در نوشتن یکی از مقاله‌های اخیر دخیل بوده است، می‌گوید:

به‌نظر من چشم‌انداز، حکم مرگ نظریه‌ی ریسمان را دارد؛ زیرا باعث می‌شود تمام ارزش پیش‌بینی‌گری آن از دست برود. در این حالت، واقعاً همه‌چیز ممکن است.

از نظر او و دیگران، مشکل جدید یافت‌شده در رابطه با انرژی تاریک، یک راهِ گریز برای نظریه‌ی ریسمان است. دنیلسون می‌گوید:

تصور یک چندجهانی بزرگ ممکن است از لحاظ ریاضی غلط باشد و این امر به‌طرز عجیبی قضیه را جالب‌تر می‌کند؛ زیرا نشان می‌دهد که نظریه‌ی ریسمان از آنچه گمان می‌کردیم، بسیار قابل‌پیش‌بینی‌تر است.

برخی از نظریه‌پردازن این رشته مانند ساودیپ سِتی از دانشگاه شیکاگو از ارزیابیِ دوباره‌ی نظریه خشنود هستند. او می‌گوید:

به نظر من، این کار بسیار هیجان‌انگیز است. من مدت‌هاست که به وجود چشم‌انداز شک داشته‌ام و خوشحالم که در حال دورشدن از این باور هستیم که مجموعه‌ای از جواب‌های اثبات‌شده داریم.

اما بسیاری افراد نیز به‌هیچ‌وجه متقاعد نشده‌اند که چشم‌انداز در واقع یک باتلاق باشد؛ به‌خصوص تیم تحقیقاتی که نسخه‌ی اولیه‌ی چشم‌انداز را در سال ۲۰۰۳ پایه‌گذاری کرد. نام این تیم KKLT، ترکیبی از حروف اول نام‌خانوادگی دانشمندان آن است. شامیت کاچرو از دانشگاه استنفورد و یکی از اعضای تیم می‌گوید:

به نظرم این گمانه‌زنی‌ها و بررسی امکان وجود حالت‌های دیگر، بسیار خوب و مثبت است اما هیچ دلیل نظری یا تجربی برای جدی گرفتن این حدس‌ها نمی‌بینم.

اوا سیلوراشتاین، فیزیکدانی از دانشگاه استنفورد که در ساخت مدل‌های اولیه‌ی چشم‌انداز همکاری داشته است نیز به استدلال وفا و همکارانش شکاک است و می‌گوید:

به نظر من، عناصر تیم KKLT و نحوه‌ی استفاده‌ی آنان از این عناصر بسیار درست و معتبر بوده است.

خوان مالداسنا، نظریه‌پرداز مؤسسه‌ی مطالعات پیشرفته نیز همچنان جهان‌های نظریه‌ی ریسمان با انرژی‌های تاریک پایدار را قبول دارد.

بسیاری از نظریه‌پردازان دیگر نیز چندجهانی نظریه‌ی ریسمان را قابل‌قبول می‌دانند. به عقیده‌ی کاچرو، «اگر تصویرِ چشم‌انداز درست باشد، قسمتی از جهان ما نسبت به چندجهانیِ کلی، مانند نسبت منظومه‌ی خورشیدی به کل جهان است و این چیز خوبی است.» یوهان کپلر از ابتدا، به‌دنبال دلیلی اساسی برای توجیه فاصله‌ی بین زمین و خورشید بود. اما ما هم‌اکنون می‌دانیم که خورشید تنها یکی از میلیاردها ستاره‌ی کهکشان است که هر کدام برای خود سیاراتی دارند؛ و فاصله‌ی بین زمین و خورشید نتیجه‌ی یک اصل عمیق ریاضی نیست، بلکه فقط عددی تصادفی است. پس اگر جهان ما یکی از تریلیون‌ها جهانِ چندجهانی باشد، پارامترهای خاص کیهان ما نیز به همان صورت، تصادفی هستند. این حقیقت که اعداد چنین پارامترهایی برای ایجاد دنیای قابل زیستمان دقیق و بی‌نقص به‌نظر می‌رسند، انتخاب خود ماست؛ در واقع انسان‌ها تنها در یکی از گوشه‌های نادر این چندجهانی که امکان حیات و تکاملشان ایجاد شده بود، پدیدار گشتند.

جهان پرشتاب

اگر نظریه‌ی ریسمان واقعاً نتواند انرژی تاریک را اثبات کند پس باید به‌درستی این نظریه شک کرد اما از نظر وفا، در این صورت باید به انرژی تاریک شک بُرد؛ یعنی به‌شکل متدوال آن که یک ثابت کیهانی در نظر گرفته می‌شود. ایده‌ی انرژی تاریک، نخستین بار در سال ۱۹۱۷ توسط انیشتین مطرح گردید و سپس دوباره در سال ۱۹۹۸ احیا شد. در این زمان، فضانوردان متوجه شدند که فضا-زمان نه‌تنها در حال گسترش است بلکه سرعت گسترشش مدام در حال افزایش می‌باشد. ثابت کیهانی نوعی انرژی در خلأ فضاست که هیچ‌گاه تغییر نکرده و نیروی گرانش را خنثی می‌کند. اما این انرژی تنها توضیح ممکن برای شتاب کیهان نیست؛ توضیح دیگر نظریه‌ی «جوهر» است، میدانی قابل‌رشد که درون فضا-زمان گسترش می‌یابد. وفا می‌گوید:

صرف‌نظر از این‌که می‌توان انرژی تاریک پایداری را در نظریه‌ی ریسمان یافت یا خیر؛ به‌نظر می‌آید که طبق نظریه، تغییر انرژی تاریک در گذر زمان امری طبیعی‌تر باشد. در این صورت، باید بتوان تغییرات آن را با مشاهدات فیزیک نجومی اندازه گرفت.

تابه‌حال، تمام شواهد فیزیک نجومی ایده‌ی ثابت کیهانی را اثبات کرده‌اند اما چند جای خالی کوچک نیز در اندازه‌گیری‌ها باقی مانده‌ است. آزمایشاتی که قرار است در آینده انجام شوند، مانند تلسکوپ فضایی اقلیدس اروپا، تلسکوپ بازرسی مادون قرمز فضایی ناسا (WFIRST) و رصدخانه‌ی سیمونز در صحرای شیلی، به‌دنبال نشانه‌های قوی‌تر یا ضعیف‌تر بودنِ انرژی تاریک در گذشته نسبت به زمان حال خواهند بود. اشتاینهارت می‌گوید:

مجبور نیستیم منتظر تکنولوژی‌های جدیدتر باشیم تا جریان را پیش ببرند؛ ما خود، اکنون هم درگیر این جریان هستیم.

حتی مخالفان وفا نیز با جستجوی جایگزینی برای ثابت کیهانی موافق هستند. به عقیده‌ی سیلوراشتاین: «در نظر گرفتنِ میدانی متغیر از انرژیِ تاریک، روشی ساده برای توجیه گسترش‌های پرشتاب کیهان است اما به نظر من در این زمان، هیچ دلیلی برای انجام آزمایش در رابطه با انرژی تاریک وجود ندارد».

«جوهر»، تنها گزینه‌ی دیگر ما نیست. پس از انتشار مقالات وفا، دنیلسون و همکارانش روشی دیگر برای جادادن انرژی تاریک در نظریه‌ی ریسمان پیدا کردند. از نقطه‌نظر آنان، جهان ما سطح سه‌بعدیِ حبابی است که درون فضایی با ابعاد بزرگتر در حال گسترش است. دنیلسون می‌گوید:

قوانین فیزیک بر این سطح ممکن است از قوانین یک ثابت کیهانی تقلید کنند. این نوع نگاه به انرژی تاریک، متفاوت از چیزی است که تا به‌حال به آن داشته‌ایم.

نظریه‌ای زیبا

مباحثه‌های مربوط به نظریه‌ی ریسمان، در نهایت بر این پرسش عمیق تمرکز می‌کنند: هدف فیزیک چیست؟ آیا یک نظریه‌ی خوب باید بتواند تمام ویژگی‌های جهان اطرافمان را توضیح دهد یا این درخواست زیادی است؟ و وقتی یک نظریه با طرز فکر ما در مورد جهان در تضاد است، باید نظریه را رها کنیم یا اعتقاداتمان را؟

نظریه‌ی ریسمان برای بسیاری از دانشمندان، کشش بسیار زیادی دارد؛ زیرا از نظر آنان نظریه‌ا‌ی «زیبا» است، معادله‌هایش رضایت‌بخش و توضیحاتش برازنده‌اند. اما تابه‌حال، هیچ نوع شواهد تجربی برای اثبات آن وجود نداشته است و حتی بدتر از آن، امید چندانی به دست‌یابی به چنین شواهدی از لحاظ عقلی وجود ندارد. بااین‌حال، حتی این فرض هم که نظریه‌ی ریسمان نمی‌تواند انرژی تاریکی را که در کیهان مشاهده می‌کنیم توضیح دهد، برخی افراد را ناامید نکرده است. به گفته‌ی ستی: «نظریه‌ی ریسمان آنقدر غنی و زیباست و آن‌چنان در مورد تمام آموزه‌هایش درست درآمده است که سخت است باور کنیم مشکل از نظریه است و نه ما». اما شاید جستجوی زیبایی، راه خوبی برای یافتن نظریه‌ی درستِ جهان هستی نباشد. زابین هاسِنفِدر، فیزیکدان مؤسسه‌ی مطالعات پیشرفته‌ی فرانکفورت در کتاب جدیدش، «غرق در ریاضی: چرا زیبایی، فیزیک را به بیراهه می‌کشاند؟» می‌نویسد:

ریاضی، عالمی پر از زیبایی و اعجاب است ولی اکثر این زیبایی‌ها جهان ما را توصیف نمی‌کنند.

فیزیکدانان با وجود اختلاف‌نظرهایشان، با یکدیگر دوست هستند و هدف مشترکشان یعنی درک جهان هستی، آن‌ها را به‌هم پیوند زده است. کاچرو، یکی از بنیان‌گذاران ایده‌ی چشم‌انداز، همکار وفا یعنی منتقد این مفهوم بوده است و این دو همچنان نیز با هم دوست هستند. وی می‌گوید:

روزی وفا از من خواست به جان خودم قسم بخورم که پاسخ‌های چشم‌انداز درست هستند و من گفتم: ٬جان خودم را قسم نمی‌خورم ولی حاضرم به جان او قسم بخورم!