نظرية الأوتار في فيزياء الجسيمات، وهي نظرية تحاول دمج ميكانيكا الكم مع نظرية النسبية العامة

ألبرت أينشتاين

، وتأتي نظرية سلسلة الأسماء من نمذجة الجسيمات دون الذرية ككيانات صغيرة “أحادية السلسلة” أحادية البعد بدلا من النهج الأكثر تقليدية التي يتم فيها نمذجة كجسيمات نقطية ذات أبعاد صفرية، وتتصور النظرية أن الخيط الذي يمر بطريقة معينة من الاهتزاز يتوافق مع جسيم له خصائص محددة مثل الكتلة والشحنة.

وفي الثمانينيات أدرك الفيزيائيون أن نظرية الأوتار لديها القدرة على دمج كل قوى قوى الطبيعة الأربعة، والجاذبية الكهرومغناطيسية والقوة القوية والقوة الضعيفة وجميع أنواع المواد في إطار ميكانيكي كمومي واحد، مما يشير إلى أنها قد تكون طويلة نظرية نظرية موحدة، في حين أن نظرية الأوتار لا تزال مجالا نابضا بالحيوية من الأبحاث التي تشهد تطورا سريعا، إلا أنها تظل في المقام الأول بنية رياضية لأنها لا تزال على اتصال 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 .

وفي المقابل كان الشاغل الرئيسي ل

علماء الفيزياء

النظرية منذ العشرينيات فصاعدا هو الميكانيكا الكمومية، وهي الإطار الناشئ لوصف العمليات الذرية وتحت الذرية، وتحتوي الجسيمات في هذه المقاييس على كتل صغيرة جدا لدرجة أن الجاذبية لا صلة لها بالموضوع في تفاعلاتها، وهكذا على مدى عقود، وكانت الحسابات الميكانيكية الكمومية تتجاهل عمومًا الآثار النسبية العامة، وبدلا من ذلك بحلول أواخر الستينيات كان التركيز على قوة مختلفة، والقوة القوية التي تربط البروتونات والنيوترونات داخل النواة الذرية، وساهم غابرييل فينيزيانو وهو منظري شاب يعمل في المنظمة الأوروبية للبحوث النووية (CERN) في تحقيق تقدم كبير في عام 1968 بإدراكه أن صيغة عمرها 200 عام، وظيفة Euler beta، وكانت قادرة على شرح الكثير من البيانات حول قوة قوية ثم يتم جمعها في مختلف مسرعات الجسيمات في جميع أنحاء العالم .

وبعد ذلك بسنوات قليلة قام ثلاثة فيزيائيين ليونارد سوسكيند من جامعة ستانفورد، وهولجر نيلسن من معهد نيلز بور، ويويشيرو نامبو من

جامعة شيكاغو

، بتضخيم رؤية فنيسيانو بشكل كبير من خلال إظهار أن الرياضيات التي يقوم عليها اقتراحه قد وصفت الحركة الاهتزازية لخيوط صغيرة الحجم، ومن الطاقة التي تشبه فروع صغيرة من السلسلة إلهام نظرية سلسلة الاسم، ومن الناحية التقريبية تقترح النظرية أن القوة القوية ترقى إلى سلاسل تربط ببعضها البعض جزيئات مرتبطة بنهايات الأوتار .

التنبؤات والصعوبات النظرية لأوتار الخيوط

كانت نظرية الأوتار اقتراحا جذابا بشكل حدسي ولكن بحلول منتصف سبعينيات القرن الماضي انحرفت القياسات الأكثر دقة للقوة القوية عن تنبؤاتها، مما دفع معظم الباحثين إلى استنتاج أن نظرية الأوتار ليس لها صلة بالكون المادي، بغض النظر عن مدى روعة الرياضيات ونظرية ومع ذلك واصل عدد قليل من علماء الفيزياء لمتابعة نظرية الأوتار، وفي عام 1974 توصل جون شوارز من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا وجويل شيرك من المدرسة العليا للحكم الذاتي، وبشكل مستقل تامياكي يونيا من جامعة هوكايدو إلى نتيجة جذرية، اقترحوا أن أحد التنبؤات الفاشلة المفترضة لنظرية الأوتار، ووجود جسيم بلا كتلة معين لم تصادفه أي تجربة تدرس القوة القوية، وكان في الواقع دليل على التوحيد الذي توقعه أينشتاين .

وتم تجاهل الإعلان عالميا، ولقد فشلت نظرية الأوتار في تجسيدها الأول ووصفا للقوة القوية، وشعر الكثيرون أنه من غير المرجح أن تسود الآن كحل لمشكلة أكثر صعوبة، وتعزز هذا الرأي بمعاناة نظرية الأوتار من مشاكلها النظرية لأحد، وأظهرت بعض المعادلات علامات عدم تناسق، ومن ناحية أخرى طالبت رياضيات النظرية أن يكون للكون ليس فقط الأبعاد الثلاثة المكانية للتجربة المشتركة، بل ستة أبعاد أخرى (لما مجموعه تسعة أبعاد مكانية أو ما مجموعه عشرة أبعاد الزمكان) .

الأبعاد والاهتزازات لنظرية الاوتار

بسبب هذه العقبات انخفض عدد الفيزيائيين الذين يعملون على النظرية إلى اثنين، شوارز ومايكل جرين من

جامعة كوين ماري لندن

بحلول منتصف الثمانينات، ولكن في عام 1984 حقق هذان المنظران المتشددان اختراقا كبيرا من خلال عملية حسابية رائعة، وأثبتوا أن معادلات نظرية الأوتار كانت متسقة في النهاية، وفي الوقت الذي انتشرت فيه هذه النتيجة في جميع أنحاء مجتمع الفيزياء كان المئات من الباحثين قد تركوا ما كانوا يعملون عليه وحولوا انتباههم الكامل إلى نظرية الأوتار، وفي غضون بضعة أشهر 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 .