یک پیش‌بینی از نظریه ریسمان، با ریسمان‌های پیوسته

فوت و فن ریاضیاتی که از نظریه ریسمان به امانت گرفته شده، امیدها را برای فهم چگال‌ترین ماده جهان افزایش داده است.

محققان در طول چندین دهه سعی کرده‌اند که پیش‌گویی‌های قابل آزمایش از نظریه ریسمان ‌را که کاندید پیشرو برای درک اساسی‌تر جهان است، ارائه دهند. فیزیک‌دانان می‌گویند که آن‌ها در حال حاضر، یکی از پیچیده‌ترین بخش‌های نظریه ریسمان‌ را برای پیش‌بینی خواص ماده فوق چگالی که در یک مخرب اتم در لانگ آیلند (Long Island)، نیو جرسی ساخته شده است، به کار برده‌اند. گرچه در صورت تایید، این پیش‌بینی شواهدی برای نظریه ریسمان که نیازمند ابعاد بیشتر، از فضایی است که پر از اشیا رشته‌ای و چیز‌های دیگر باشد، ارائه نمی‌دهد. در عوض ثابت می‌کند که برخی از ریاضیات نظریه ریسمان، می‌تواند برای مطالعه نیرو‌های موجود در داخل هسته‌ی یک اتم، مورد استفاده قرار گیرد.

یک دستگاه برخورد دهنده یون‌های سنگین نسبیتی (RHIC) در آزمایشگاه ملی بروخاون(Brookhaven)، هسته اتم‌های طلا را برای ایجاد اسپری‌های داغ و فوق متراکم از ذرات، با هم برخورد می‌دهد؛ که مشابه آن از چندین ثانیه بعد از انفجار بزرگ (big bang) –انفجار شدیدی از انرژی  که جهان را آغاز کرد- تا به حال اتفاق نیفتاده است. این انفجار‌های کوچک، کوارک‌ها را آزاد می‌کنند. کوارک‌ها ذراتی هستند که معمولا در داخل پروتون‌ها و نوترون‌ها به همراه گلوئون‌ها که ذراتی هستند که کوارک‌ها را در کنار هم نگه می‌دارند، به دام افتاده‌اند. پژوهشگران این حالت ماده را پلاسما‌ی کوارک-گلوئون نامیده‌اند.

حتی مطالعه خواص عمومی آن، حیرت انگیز است. Krishna Rajagopal از موسسه‌ی فناوری ماساچوست می‌گوید:” شما در حال تلاش برای پیش‌بینی شهودی و عددی هستید و ما هر دو را به دست می‌آوریم.”

Rajagopal و همکارانش درمقاله‌ای که برنامه ریزی شده تا در Physical Review Letters چاپ شود، گزارش کردند که موفق به محاسبه نرخی شده‌اند که در آن ذراتی که مزون J/psi نام دارند، در حرارت پلاسمای کوارک – گلوئون  تشکیل می‌شوند؛ که آن‌ها را در مفهومی به نام غربالگری حل می‌کند. آن‌ها دریافتند که غربالگری به نحو خاصی با سرعت J/psi تغییر می‌کند.  او می گوید: “ما به طور کیفی پیش بینی می کنیم که در صورت افزایش سرعت، شما باید غربالگری مؤثرتری داشته باشید.” که ذرات کمتر را در سرعت های بالا به ارمغان می آورد. او همچنین بیان می‌کند:” زمان می‌گوید که آیا در سطح کمی نیز ما این آزمایش ها را انجام خواهیم داد یا خیر.”

به طور معمول، محققان از نظریه‌ای به نام کرومودینامیک کوانتومی (QCD) برای محاسبه نیروهای بین کوارک ها استفاده می کنند. برای انجام این کار، آنها باید برآوردها را انجام دهند که تنها زمانی که نیرو ضعیف باشد، دقیق هستند. اما نیروی بین کوارک‌ها در پلاسما می تواند نسبتا قوی باشد. در واقع، فیزیک‌دانان در حال حاضر بر این باورند که پلاسما، که ابتدا به عنوان یک نوع گاز در نظر گرفته می‌شد، بیشتر شبیه یک مایع است.

Rajagopal و همکارانش، از کشف ۱۹۹۷ ، توسط Juan Maldacena فیزیک‌دان ذرات در موسسه مطالعات پیشرفته در پرینستون، نیوجرسی استفاده کردند، که شکلی است از نظریه ریسمان در چهار بعد فضا – یک بعد بیشتر از فضا‌ی ما – و معادل یک نظریه QCD در سه بعد فضایی. هنگامی که نیروها در این تئوری QCD مانند، قوی شوند؛ در نظریه ریسمان ضعیف می‌شوند و روش ساده ای برای انجام محاسبات مربوط به کوارک ها ارائه می دهند.

گرچه نیمی از سکه‌ی  Maladacena  شامل گرانش و دیگر نیروها شود، نیمه QCD مانند، تنها حاوی گلوئون ها و ذرات مشابهی است که در دنیای واقعی وجود ندارند.  Maldacena می گوید: “این موضوع مشابه گفتن این است که شما در تلاش برای مطالعه آب هستید، اما در عوض الکل را مطالعه می‌کنید.” او همچنین بیان می‌کند که  “ما مطمئنا می دانیم که این نظریه درست نیست، اما شاید رفتار آن به همین شیوه باشد.”

Rajagopal  بیان می‌کند که تلاش برای مطابقت با نظریه QCD مانند با واقعیت باعث می شود که نتایج نیمه دقیق باشند. اما سال گذشته همان گروه، از این بخش از نظریه ریسمان برای تخمین درجه ای که در آن، جهش کوارک ها در میان پلاسما از سمتی به سمت دیگر می‌رود، استفاده کردند.  Rajagopal می گوید: “آنچه که ما دریافتیم، نسبت به یافته‌ها با روش‌های معمول در توافق بهتری با داده ها است.”

گروه‌های دیگر از نتایج Maladacena  استفاده کردند تا به طور مستقیم، کاهش سرعت کوارک ها در پلاسما را تخمین بزنند و گرانروی پلاسما  را بسنجند.

William Zajc  فیزیکدان از دانشگاه کلمبیا، که مشغول کار بر روی آزمایشی  در  RHIC برای تشخیص ذرات  J/psi است، می‌گوید: “این ایده که ممکن است ارتباطی بین ریاضیات نظریه ریسمان در ابعاد بالاتر و پدیده‌های جهان واقعی باشد، در RHIC مطالعه شده است که برای من بسیار جالب است.”

Ulrich Heinz فیزیکدان نظری دانشگاه ایالت اوهایو، موافق است که این تلاش‌ها هیجان‌انگیز است. اما او می گوید نظریه  QCD مانند، برای متقاعد کننده بودن، هنوز از واقعیت خیلی دور است.” او همچنین ادامه می‌دهد:” اگر آن‌ها رنگ یک سیب را پیش بینی کنند، و کسی به یک گلابی نگاه کند و دریابد که به همان رنگ است؛ به نظر شما پیش‌بینی صحیح می‌باشد؟”

Zajc  می‌گوید که RHIC باید قادر به جمع آوری اطلاعات کافی در دو سال آینده برای ارزیابی پیش بینی J / psi باشد. علاوه بر بسیاری از محاسبات معمول، او می‌گوید:” قبل از استدلال برای تصدیق برتری این روش‌ها، نیاز به توافق عددی چشمگیری است.”

او ذکر می‌کند که ممکن است، دستیابی به این توافق دشوار باشد، زیرا غربالگری J / psi مستقیما اندازه گیری نمی‌شود، اما باید به این نکته پی ببریم، که می تواند در مورد ارزش واقعی آن بحث کرد.