نظریه ریسمان شاید جهان‌ های موازی بسیار کمتری بیافریند

طبق گفته‌های برخی از فیزیکدانان، مشکلی که در رابطه با نظریه ریسمان وجود دارد این است که موجب ایجاد فرضیه جهان‌های موازی می‌شود. این نظریه نه تنها یک، بلکه ۱۰^۵۰۰ نسخه از فضا-زمان را پیش‌بینی می‌کند که هر یک قوانین فیزیک مخصوص به خود را دارند. اما با در نظر گرفتن این تعداد جهان، این نظریه چگونه می‌تواند ویژگی‌های جهان ما را توضیح دهد؟

اکنون برخی از نظریه‌دانان معتقند اگر حداقل بخواهیم این جهان‌ها انرژی تاریک پایدار داشته باشند (انرژی مفروضی که گسترش کیهان را سرعت می‌بخشد)، اگر همه نه، اغلب مطرود هستند. برای برخی حذف کردن تعداد زیادی جهانِ ممکن یک مانع نیست، بلکه قدم بزرگی در حمایت از نظریه ریسمان است، که راه‌ را برای برای پیش‌بینی‌های قابل آزمایش هموار می‌کند.
این مناظره در اواخر ماه ژوئن بحث داغی در ژآپن بود، جایی که تئوری‌دان‎های نظریه ریسمان در کنفرانس ریسمان‌ها ۲۰۱۸ گرد هم آمده بودند. Ulf Danielsson، فیزیکدان دانشگاه Uppsala در سوئد، می‌گوید:

این واقعاً یک بحث جدید است و جنجال‌هایی را در این زمینه برانگیخته است.

تمرکز بحث روی مقاله‌هایی است که ماه پیش با در نظر گرفتن هدفی که به اصطلاح “چشم‌انداز نظریه ریسمان” نامیده می‌شود (تعداد غیرقابل درکی از جهان‌های بالقوه که درنتیجه‌ی راه‌حل‌های مختلف معادله‌ی نظریه ریسمان به وجود آمده‌اند و اجزای کیهان، ازجمله انرژی تاریک را ایجاد می‌کنند)، در سرور arXiv منتشر شده ست. اما قسمت عمده‌ی راه‌حل‌های ارائه شده از نظر ریاضیات ناسازگار هستند، که آن‌ها نه در چشم‌انداز بلکه در به اصطلاح “باتلاق” جهان‌ها قرار می‌گیرند و درواقع نمی‌توانند وجود داشته باشند. برای سال‌ها دانشمندان می‌دانستند که بسیای از راه‌حل‌ها باید در این باتلاق قرار گیرند؛ اما این ایده که بیشتر یا شاید همه‌ی این راه‌حل‌های چشم‌انداز نیز درواقع به باتلاق تعلق دارند تغییر بزرگی خواهد بود. طبق گفته‌های Cumrun Vafa، فیزیکدان دانشگاه هاروارد، در حقیقت یافتن راه‌حل معتبر و درست برای نظریه ریسمان که شامل انرژی تاریک پایدار باشد، از نظر تئوری غیرممکن است.

حتماً بخوانید: جهان های موازی چرا با وجود دیوانه‌وار بودن یک نظریه‌ی علمی است؟

گمشده در جهان‌های موازی

نظریه ریسمان تلاشی برای توضیح کل جهان تحت “یک تئوری منفرد همه چیز” با اضافه کردن بعدهای اضافی فضا-زمان و درنظر گرفتن اجزا به عنوان حلقه‌های مرتعش کوچک است. بسیاری از تئوری‌دان‌های نظریه ریسمان ادعا می‌کنند که این نظریه بهترین نظریه در جهت رویای آلبرت انیشتین برای یکی کردن نظریه نسبیت عام با دنیای میکروسکوپی متناقض‌اش، مکانیک کوانتومی، است. با این حال مفهوم چشم‌اندازی از نظریه ریسمان که جهان‌های متعددی را پیش‌بینی می‌کند برخی از فیزیکدانان را به شک انداخته است. فیزیکدان دانشگاه پرینستون، Paul Steinhardt می‌گوید:

اگر این واقعاً یک چشم‌انداز است از دیدگاه من مرگی‌ست برای نطریه زیرا تمامی اعتبار پیشگویانه ر از بین می‌برد. به معنای واقعی کلمه هر چیزی ممکمن است.

برای Steinhardt و سایر فیزیکدانان، مشکلات جدید یافته شده در رابطه با انرژی تاریک شرایط غیرمرسومی را برای نظریه ریسمان ارائه می‌کند. طبق گفته‌ی Danielsson، این تصویر با جهان‌های موازی عظیم می‌تواند از نظر ریاضی اشتباه باشد. به طور متناقض این موضوع مطلب را جالب‌تر نیز می‌کند، زیرا نشان می‌دهد نظریه ریسمان پیشگویانه‌تر از آنچه که می‌اندیشیدیم است.
برخی تئوری‌دان‌های نظریه ریسمان مانند Savdeep Sethi از دانشگاه شیکاگو، این ارزیابی جدید را با آغوش باز می‌پذیرند، او می‌گوید:

به نظر من این کشف جدید بسیار هیجان‌انگیز است. من مدت زمان طولانی نسبت به این چشم‌انداز مشکوک بودم. اکنون خوش‌حال هستم که این الگو از این باور که ما مجموعه‌ای از راه‌حل‌های اثبات شده داریم، تغییر مسیر می‌دهد.

اما همه موافق این بحث نیستند که چشم‌انداز درواقع به باتلاق تعلق دارد، به خصوص تیم تحقیقاتی که یکی از اولین نسخه‌های چشم‌انداز را در سال ۲۰۰۳ با نام KKLT منتشر کرد. Shamit Kachru یکی از اعضای KKLT از دانشگاه استانفورد می‌گوید:

به نظرم ساختن چنین حدس‌هایی و بررسی سایر جوانب بسیار خوب است؛ اما من هیچ دلیل تجربی یا نظری برای جدی گرفتن این حدس نمی‌بینم.

Eva Silverstein فیزیکدان دانشگاه استنفورد نیز موافق است و باور دارد محتوا و روشی که KKLT برای اثبات استفاده کرده‌اند کاملاً معتبر است. Juan Maldacena نیز از ایده‌ی نظریه ریسمان با وجود انرژی تاریک پایدار کتملاً حمایت می‌کند. و بسیاری از نظریه‌دانان با جهان‌های موازی نظریه ریسمان موافق هستند. Kachru معتقد است اگر این تصویر چشم‌انداز صحیح باشد ذره‌ای از جهان که ما هستیم در مقایسه با جهان‌های موازی مشابه قیاس منظومه شمسی ما در مقابل جهان خواهد بود. Johannes Kepler در اصل به دنبال دلیل فاصله بسیار زیاد زمین از خورشید بود. اما اکنون می‌دانیم که خورشید تنها یکی از بیلیون‌ها ستاره‌ی کهکشان است که هر یک سیاره‌های خود را دارند، و فاصله‌ی زیمن تا خورشید به سادگی یک عدد اتفاقی است تا نتیجه‌ی یک قانون اساسی ریاضی. به همین شکل، اگر جهان یکی از تیریلیون‌ها جهان موازی است، پارامترهای خاص جهان ما نیز درواقع اتفاقی خواهد بود. این واقعیت که این اعداد به نظر به خوبی میزان شده‌اند تا یک جهان قابل زیست را بسازند یک اثر انتخابی است، البته انسان‌ها خود را در یکی از گوشه‌های نادر جهان‌های موازی پیدا کرده‌اند که امکان تکامل‌شان وجود داشته است.

حتماً بخوانید: فیزیک به فلسفه نیاز دارد، فلسفه هم به فیزیک؛ ما با این دیدگاه می‌توانیم پیشرفت کنیم

جهان شتابدار

اگر درست باشد که نظریه ریسمان نمی‌تواند انرژی تاریک پایدار را در خود جا دهد، می‌تواند دلیل خوبی باشد که به این نظریه شک کنیم. اما برای Vafa این موضوع دلیلی است برای شک کردن به انرژی تاریک، زیرا انرژی تاریک در معروف‌ترین حالت خود یک ثابت کیهان‌شناسی عنوان می‌شود. ایده انرژی تاریک در سال ۱۹۱۷ با انیشتین شکل گرفت و در سال ۱۹۹۸ زمانی که فضانوردان کشف کردند فضا-زمان نه تنها در حال گسترش است بلکه سرعت گسترش آن نیز درحال افزایش می‌باشد، دوباره احیا شد. این ثابت کیهان‌شناسی فرمی از انرژی در خلاء از فضا خواهد بود که هرگز تغییر نمی‌کند و با کشش درونی جاذبه مقابله می‌کند. اما این تنها توضیح ممکن برای جهان شتابدار نیست. یک گزین‌ی دیگر “اثیر” است، یک موضوع نفوذکننده یه فضا-زمان که می‌تواند تکامل یابد. Vafa معتقد است بدون توجه به این که انرژی تاریک پایدار می‌تواند در نظریه ریسمان تحقق یابد یا نه، ایده‌ی انرژی تاریکی که در طول زمان تغییر می‌کند در نظریه ریسمان طبیعی‌تر است. اگر مساله این باشد، می‌توان تغییرات تدریجی انرژی تاریک را با رصدهای فیزیک نجومی که درحال حاضر نیز انجام می‌گیرند، ارزیابی کرد.

تا کنون تمام شواهد فیزیم نومی در حمایت از ایده‌ی ثابت کیهان‌شناسی بوده است اما نقص‌هایی در اندازه‌گیری‌ها وجود دارد. آزمایشات پیشرو مانند Europe’s Euclid space telescope، NASA’s Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) و Simons Observatory که در صحرای Chile بنا شده‌اند به دنبال نشانه‌هایی خواهند بود که نشان دهند انرژی تاریک در گذشته قوی‌تر یا ضعیف‌تر از زمان حال بوده است.  Steinhardt می‌گوید:

نکته‌ی جالب این است که ما در حال حاضر نیز در مرحله حساسی برای شروع افزایش فشار روی نظریه ثابت کیهانی هستیم. لزومی ندارد منتظر تکنولوژی جدید برای شروع بازی باشیم، در واقع اکنون نیز درحال بازی هستیم.

حتی کسانی که اظهارات Vafa را تایید نمی‌کنند از این ایده که باید گزینه‌های دیگری را نیز درمورد ثابت کیهانی درنظر گرفت، حمایت می‌کنند. Steinhardt نیز موافق است که بحث یک انرژی تاریک متغیر روش ساده‌گردانی برای ایجاد گسترش شتابدار است. اما او فکر نمی‌کند که در این نقطه، توجیهی برای به وجود آوردن پیش‌بینی‌های مشاهده‌ای درمورد انرژی تاریک وجود داشته باشد.

اثیر تنها گزینه‌ی دیگر نیست. در پی مقالات Vafa، Danielsson و همکارانش روش دیگری را برای تحقق یافتن انرژی تاریک در نظریه ریسمان پیشهناد کردند. در دید آن‌ها جهان ما یک سطح سه بعدی از حباب در حال گسترش در داخل فضایی با بعدهای بزرگتر است. قوانینی فیزیک درون این سطح می‌تواند فیزیک ثابت کیهان‌شناسی را تقلید کند. در مقایسه با آنچه تا کنون تصور می‌کردیم، این روش متفاوتی از شناسایی انرژی تاریک است.

حتماً بخوانید: وقتی انرژی تاریک به تقابلی ناخواسته با انبساط جهان بر می‌خیزد!

یک نظریه زیبا

در نهایت بحث درمورد نظریه ریسمان روی یک سوال عمیق متمرکز است: هدف فیزیک چیست؟ آیا یک نظریه خوب باید قادر باشد ویژگی‌های خاص جهان اطراف ما را توضیح دهد یا این زیاده‌خواهی است؟ و زمانی که یک نظریه مغایر یا چیزی است که ما باور داریم آیا از نظریه منصرف می‌شویم یا از آنچه به آن باور داریم؟

نظریه ریسمان برای بسیاری از دانشمندان بسیار جذاب است زیرا یک نظریه زیبا می‌باشد، معادله‌های آن قانع کننده هستند و توضیحات پیشنهاد شده‌ی آن برازنده. اما تا کنون هیچ شاهد پژوهشی در حمایت از خود نداشته است و حتی بدتر از آن، خبری از دورنماهای منطقی برای به دست آوردن چنین شواهدی نیست. با این حال حتی اگر نظریه ریسمان انرژی تاریکی را که در کیهان می‌بینیم تحقق نبخشد، برخی‌ها را دلسرد نمی‌کند.  Sethiباور دارد نظریه ریسمان آنچنان در تمامی جوانب غنی، زیبا و درست می‌باشد که به ما قبولانده است که اشتباه در نظریه ریسمان نیست و کوتاهی از ماست. اما شاید به دنبال زیبایی رفتن روش مناسبی برای یافتن نظریه‌ی درست جهان نباشد.

ریاضیات پر از موارد زیبا و حیرت‌آور است، و بیشتر آن‌ها جهان را توضیح نمی‌دهند.

Sabine Hossenfelder، کتاب “چگونه زیبایی فیزیک را گمراه می‌کند”.

علی رغم تباین نظرات، فیزیکدان‌ها گروه دوستانه‌ای هستند، و در راستای هدف مشترک خود، کشف جهان هستی، متحد می‌باشند. Kachru، یکی از بنیان‌گذاران نظریه چشم‌انداز با Vafa، منتقد نظریه‌اش، به عنوان مشاور همکاری کرده است و این دو اکنون نیز دوست هستند. Kachru می‌گوید:

یک بار او از من پرسید که آیا زندگی خود  روی وجود راه‌حل چشمانداز شرط می‌بندم یا نه. در جواب گفتم زندگی خود را نه اما زندگی او را چرا!