معلومات عن نظرية الأوتار ” الخيوط الفائقة “

نظرية الأوتار في فيزياء الجسيمات هي نظرية تحاول دمج ميكانيكا الكم مع نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين، وتأتي نظرية سلسلة الأسماء من نمذجة الجسيمات دون الذرية ككيانات صغيرة “أحادية السلسلة” ذات بعد واحد بدلا من النهج الأكثر تقليدية الذي يتم فيه نمذجة الجسيمات على أنها نقطية ذات أبعاد صفرية، وتتصور النظرية أن الخيط الذي يمر بطريقة معينة من الاهتزاز يتوافق مع جسيم له خصائص محددة، مثل الكتلة والشحنة.

في الثمانينيات، أدرك الفيزيائيون أن نظرية الأوتار قادرة على دمج جميع قوى الطبيعة الأربعة – الجاذبية والكهرومغناطيسية والقوة القوية والقوة الضعيفة – وجميع أنواع المواد في إطار ميكانيكي كمومي واحد. هذا يشير إلى أنها قد تكون نظرية موحدة طويلة المدى. وعلى الرغم من أن نظرية الأوتار ما زالت في مرحلة نشطة من البحث والتطوير، إلا أنها لا تزال في المقام الأول هي بنية رياضية، وذلك لأنها لا تزال مرتبطة بالملاحظات التجريبية .

النسبية وميكانيكا الكم لنظرية الأوتار

في عام 1905 قام أينشتاين بتوحيد المكان والزمان، مع نظريته النسبية الخاصة مما يدل على أن الحركة عبر الفضاء تؤثر على مرور الوقت، وفي عام 1915 قام أينشتاين بتوحيد المكان والزمان والجاذبية من خلال نظريته العامة للنسبية حيث أظهر أن التواءات والمنحنيات في الزمان والمكان هي المسؤولة عن قوة الجاذبية، وكانت هذه إنجازات هائلة لكن آينشتاين كان يحلم بوحدة أكبر، ولقد تصور إطارا قويا من شأنه أن يفسر المكان والزمان وكل قوى الطبيعة، وهو ما أسماه نظرية موحدة، وخلال العقود الثلاثة الأخيرة من حياته تابع أينشتاين هذه الرؤية بلا كلل، وعلى الرغم من انتشار الشائعات بين الحين والآخر التي نجح فيها إلا أن التدقيق الدقيق أزال دائما هذه الآمال، واعتبر معظم معاصري آينشتاين أن البحث عن نظرية موحدة هو مسعى ميؤوس منه إن لم يكن مضللا من الأساس .

كان العلماء النظريون في مجال الفيزياء يعملون بشكل رئيسي على دراسة الميكانيكا الكمومية منذ العشرينيات، وهي الإطار الذي ظهر لوصف العمليات داخل الذرات والتحت الذرية، وتتضمن هذه الجسيمات كتلا صغيرة جدا بحيث لا يؤثر الجاذبية في تفاعلاتها. وعلى مدى عقود، كانت الحسابات الميكانيكية الكمومية تهمل عموما الآثار النسبية العامة، وبدلا من ذلك، كان التركيز في أواخر الستينيات على القوى المختلفة، وخاصة القوة القوية التي تربط البروتونات والنيوترونات داخل النواة الذرية. وقد ساهم غابرييل فينيزيانو، الذي كان منظرا شابا يعمل في المنظمة الأوروبية للبحوث النووية (CERN)، في تحقيق تقدم كبير في عام 1968 من خلال اكتشاف صيغة عمرها 200 عام، وهي وظيفة إيلر بيتا، التي كانت قادرة على تفسير الكثير من البيانات المتعلقة بالقوة القوية في مختلف مسرعات الجسيمات في جميع أنحاء العالم .

بعد بضع سنوات، زاد ثلاثة فيزيائيين، ليونارد سوزكيند من جامعة ستانفورد وهولجر نيلسون من معهد نيلز بور ويويشيرو نامبو من جامعة شيكاغو، من رؤية النظرية الفينيسية من خلال إظهار أن الرياضيات التي اقترحها تصف حركة اهتزازية لخيوط صغيرة الحجم وأن الطاقة المماثلة لفروع صغيرة من السلسلة قد ألهمت نظرية سلسلة الأسماء. وبشكل تقريبي ، تقترح النظرية أن القوة القوية ترتبط بسلاسل تربط بعض الجزيئات المرتبطة بأطراف الأوتار .

التنبؤات والصعوبات النظرية لأوتار الخيوط

كانت نظرية الأوتار اقتراحا جذابا بشكل حدسي، ولكن بحلول منتصف سبعينيات القرن الماضي، تبين أن القياسات الأكثر دقة للقوة القوية تخالف تنبؤاتها. وهذا دفع معظم الباحثين إلى استنتاج أن نظرية الأوتار ليس لها صلة بالكون المادي، بغض النظر عن روعة الرياضيات والنظرية. ومع ذلك، استمر عدد قليل من علماء الفيزياء في متابعة نظرية الأوتار. وفي عام 1974، توصل جون شوارز من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا وجويل شيرك من المدرسة العليا للحكم الذاتي، وبشكل مستقل تماما يونياكي يونيا من جامعة هوكايدو إلى نتيجة جذرية. اقترحوا أن أحد التنبؤات الفاشلة المفترضة لنظرية الأوتار هو وجود جسيم بلا كتلة معينة لم تصادفه أي تجربة تدرس القوة القوية، وكان هذا الاكتشاف في الواقع دليلا على التوحيد الذي توقعه أينشتاي .

تم تجاهل الإعلان على المستوى العالمي، وفشلت نظرية الأوتار في تمثيلها الأول ووصفها للقوة القوية، وشعر الكثيرون بأنه من غير المرجح أن تكون الحل الفعال لمشكلة أكثر صعوبة، وتعزز هذا الرأي بمشاكل نظرية الأوتار النظرية الحالية، وأظهرت بعض المعادلات عدم التناسق، ومن ناحية أخرى، طالبت نظرية الرياضيات بوجود ستة أبعاد إضافية للكون بالإضافة إلى الأبعاد الثلاث المكانية المعتادة للتجربة المشتركة، مما يجعل إجمالي الأبعاد تسعة أبعاد مكانية أو عشرة أبعاد زمكانية .

الأبعاد والاهتزازات لنظرية الاوتار

تسببت هذه العقبات في انخفاض عدد الفيزيائيين الذين يعملون على نظرية الأوتار إلى اثنين، شوارز ومايكل جرين من جامعة كوين ماري في لندن، بحلول منتصف الثمانينيات. ولكن في عام 1984، تمكن هؤلاء المنظران المتشددان من تحقيق اختراق كبير من خلال عملية حسابية رائعة، وأثبتوا أن معادلات نظرية الأوتار كانت متسقة في النهاية. وبينما انتشرت هذه النتيجة في جميع أنحاء مجتمع الفيزياء، ترك مئات الباحثين ما كانوا يعملون عليه وحولوا انتباههم الكامل إلى نظرية الأوتار، وفي غضون بضعة أشهر تم تبلور الإطار الموحد لنظرية الأوتار .

وبقدر ما تلعب الأنماط الاهتزازية المختلفة لسلسلة الكمان ملاحظات موسيقية مختلفة، فقد تم تخيل الاهتزازات المختلفة للخيوط الصغيرة في نظرية الأوتار لإعطاء جزيئات مختلفة من الطبيعة، ووفقا للنظرية فإن الأوتار صغيرة جدا لدرجة أنها تبدو نقاطا، كما كان يعتقد منذ فترة طويلة أن الجسيمات ولكن في الواقع طولها (حوالي 10 إلى 33 سم)، ويتم تحديد كتلة وشحنة الجسيمات من خلال كيفية اهتزاز السلسلة، وعلى سبيل المثال تفترض نظرية الأوتار أن الإلكترون عبارة عن سلسلة تمر بنمط اهتزاز معين، ويتصور كوارك كسلسلة تمر بنمط اهتزازي مختلف، والأهم من ذلك من بين الأنماط الاهتزازية كما جادل الفيزيائيون، ستكون أيضا الجسيمات الموجودة في التجربة لتوصيل قوى الطبيعة، وهكذا تم اقتراح نظرية الأوتار باعتبارها التوحيد المنشود لجميع القوى وكل المادة .