تمام تارها را میتوان به عنوان راه حلهایی برای معادلات نظریههایابرگرانش در ۱۰ یا ۱۱ بعد در نظر گرفت. هر چند که ابعاد ۱۰ گانه یا ۱۱گانه با فضا زمانی که درک میکنیم، چندان شباهتی ندارد؛ اما در توجیه ایننکته گفته میشود که ۶ یا ۷ بعد دیگر چنان پیچ خورده و کوچک شدهاند کهمتوجه وجود آنها نمیشویم و فقط ۳ بعد باقیمانده را که بزرگ و تقریباًمسطح هستند، درک میکنیم.
لازم است یادآور شوم که شخصاً از پذیرفتنابعاد بالاتر چندان خرسند نبودهام. اما از آنجا که اثباتگرا هستم، پرسش«آیا ابعاد بالاتر واقعاً وجود دارند؟» بیمعنی است. فقط میتوان پرسیدآیا مدلهای ریاضیاتی با ابعاد بالاتر توصیف مناسبی از جهان ارائه میدهدیا خیر. ما تاکنون مشاهداتی نداشتیم که برای تفسیر آنها به وجود ابعادبالاتر نیازی باشد. با این همه این احتمال وجود دارد که این ابعاد را دربرخورد دهنده بزرگ هادرون که در ژنو قرار دارد، مشاهده کنیم. اما آنچه کهبسیاری از افراد و از جمله مرا متقاعد ساخته است که مدلهای با ابعادبالاتر را جدی تلقی کنند، آن است که شبکهای از ارتباطهای غیرمنتظره کهدوگانگی نامیده میشود، در این مدلها وجود دارد. این دوگانگیها نشانمیدهد که مدلها اصولاً معادل یکدیگرند، به عبارت دیگر این مدلهاجنبههای مختلف یک نظریه بنیادی هستند، که نظریه ام-تئوری نام گرفته است.
اگروجود این شبکه از دو گانگیها را نشانهای از حرکت در مسیر صحیح ندانیم،تقریباً مثل آن است که فکر کنیم خداوند فسیل ها را در صخرهها قرار دادهاست تا داروین در مورد تکامل حیات گمراه شود. این دوگانگیها نشان میدهدکه ۵ نظریه ابرتار مبانی فیزیکی یکسانی را بیان میکند و از لحاظ فیزیکیمعادل ابرگرانش است. نمیتوان گفت که ابر تارها بنیادیتر از گرانش است یابرعکس، ابر گرانش بنیادیتر از ابرتار. بلکه این نظریهها بیانهایمتفاوتی از یک نظریه بنیادی است که هرکدام از آنها برای محاسبه درموقعیتهای مختلف مفید واقع میشوند. نظریههای تار برای محاسبه حوادثی کههنگام برخورد چند ذره با انرژی بالا و تفرق آنها روی میدهد، مناسب استزیرا فاقد بینهایتها است. با این همه این نظریه برای توصیف چگونگیتابدار شدن جهان به وسیله انرژی تعداد زیادی ذره یا تشکیل حالت محدود مثلسیاهچاله فایده چندانی ندارد. برای چنین وضعیتهایی به ابر گرانش نیاز استکه اصولاً از نظریه فضا زمان خمیده اینشتین همراه با بعضی موضوعهای دیگرتشکیل شده است. این تصویری از عمده مطالبی است که پس از این در مورد آنهاصحبت خواهم کرد.
مناسب است برای تشریح اینکه چگونه تئوری کوآنتوم بهزمان و فضا شکل میدهد، ایده زمان موهومی را بیان کنیم. شاید به نظر برسدزمان موهومی برگرفته از داستانهای علمی تخیلی باشد، اما زمان موهومی درریاضیات مفهومی کاملاً تعریف شده است: زمان موهومی زمانی است که با اعدادموهومی سنجش میشود. میتوان اعداد حقیقی معمولی همانند ۱، ۲، ۵/۳- و غیرهرا به صورت مکانشان روی خطی که از چپ به راست امتداد دارد در نظر گرفت:صفر در وسط خط، اعداد حقیقی مثبت در سمت راست و اعداد منفی حقیقی در سمتچپ قرار دارند.
اعداد موهومی را میتوان به صورت مکانشان روی خط عموددر نظر گرفت: صفر باز هم در وسط خط قرار دارد، اعداد موهومی مثبت رو بهبالا و اعداد موهومی منفی رو به پایین ترسیم میشود. بنابراین اعدادموهومی را میتوان به صورت نوع جدیدی از اعداد، عمود بر اعداد حقیقیمعمولی در نظر گرفت. از آنجایی که این اعداد ساختاری ریاضیاتی هستند لازمنیست که به طور فیزیکی تحقق یابند، هیچکس نمیتواند به تعداد عدد موهومیپرتقال داشته باشد یا صاحب یک کارت اعتباری با صورت حساب اعداد موهومیباشد.
ممکن است کسی فکر کند که این گفتهها به این معنی است که اعدادموهومی فقط یک بازی ریاضی است که با دنیای واقعی کاری ندارد. با این همهاز دیدگاه فلسفه اثباتگرا نمیتوان تعیین کرد که چه چیزی واقعی است. تنهاکاری که میتوانیم انجام دهیم این است که دریابیم کدام مدلهای ریاضیجهانی را که در آن زندگی میکنیم، توصیف میکند. معلوم میشود که مدلریاضیاتی شامل زمان موهومی نه تنها آثاری را که پیش از این مشاهده کردیم،پیش گویی میکند، بلکه آثاری را پیش گویی میکند که تاکنون نتوانستهایماندازه گیری کنیم، ولی به دلایل دیگر، آنها را باور داشتیم. پس چه چیزواقعی و چه چیز موهومی است؟ آیا این دو فقط در ذهن ما متمایز از یکدیگرند؟
نظریهنسبیت عام کلاسیک (یعنی غیر کوآنتومی) اینشتین زمان واقعی را با سه بعددیگر فضا ادغام می کند تا فضا زمان چهار بعدی را به وجود آورد. اما جهتزمان واقعی با سه جهت دیگر زمان تفاوت داشت؛ خط جهانی یا تاریخ یک ناظر درزمان واقعی همیشه افزایش مییابد (به عبارت دیگر زمان همیشه از گذشته بهسوی آینده حرکت میکند.) ولی سه بعد دیگر فضا هم میتوانند کاهش یابند وهم افزایش به عبارت دیگر میتوان در فضا تغییر جهت داد اما نمیتوان درخلاف جهت زمان حرکت کرد.
از طرف دیگر، از آنجایی که زمان موهومی عمودبر زمان واقعی است، همانند جهت فضایی چهارم رفتار میکند و بنابراین زمانموهومی میتواند شامل احتمالهایی بیش از مسیر راه آهن زمان واقعی باشد کهدارای آغاز و پایان است یا روی یک مسیر بسته حرکت میکند. با توجه به اینمفهوم موهومی است که میگوییم زمان دارای شکل است.
● آیا زمین در یک چاله فضا-زمان واقع شده است؟
بهزودی جواب را به دست خواهیم آورد: آزمایش فیزیکی مشترکی بین سازمان فضاییآمریکا(ناسا) و دانشگاه استنفورد ، به نام "گرانش کاو B" اخیرا به نخستیننتایج رسیده است. اکنون اولین سال جمعآوری اطلاعات این ماهواره در مدارزمین به پایان رسیده است. نتایج، که تجزیه و تحلیل آنها یک سال دیگر طولخواهد کشید، شکل انحنای فضا-زمان را در نزدیکی زمین مشخص خواهد کرد.
زمانو فضا –بر طبق نظریه نسبیت اینشتین –به یکدیگر بافته شده اند و ساختار تارو پودی چهاربعدی به نام فضا-زمان را به وجود آورده اند.جرم قابل توجه زمین، این ساختار را به شکل یک گودی در می آورد.مانند شخص سنگینی که وسط یکتشک بادی نشسته باشد (هر چند که چنین خمیدگیهای فضا-زمان را اغلب در محیطاطراف اجرام بسیار پر جرم تر و فشرده تری مانند سیاهچاله ها، ستاره هاینوترونی، و کوتوله های سفید سراغ داریم اما اگر با دقت کافی محیط اطرافاجرام بسیار کم جرم تری مانند زمین را نیز بررسی کنیم خمیدگی فضا-زمانناشی از جرم زمین را می توانیم بیابیم).
بر طبق نظریه نسبیت عاماینشتین ، حرکت اجسام در ساختار تار و پودی فضا-زمان صورت می گیرد. یعنیجسم در حال حرکت تابع شکل فضا-زمانی است که در آن واقع شده است. بر اساساین نظریه، گرانش باعث تغییر شکل ساختار فضا-زمان می شود و در نتیجه حرکتجسم نیز بر اثر میدان گرانشی تغییر می کند. می توان گفت که به زباناینشتین گرانش در اصل حرکت اجسام در مسیر خمیدگی ساختار فضا-زمان در اطرافجسم پرجرم است. یعنی وقتی زمین ر مداری به دور خورشید در گردش است از دیدنسبیتی به دلیل انحنای فضا-زمان اطراف خورشید در این مسیر هدایت می شود.
اگرزمین ثابت بود، ضرورتی برای انجام این کاوش نبود، ولی از آنجا که زمین بهدور خود حرکت دورانی دارد ، این خمیدگی نیز باید همراه با زمین بچرخد.زمینبا پیچ و تاب دادن ساختار فضا-زمان به دور خود به آرامی آن را به صورت یکساختار چرخشی ۴ بعدی در می آورد.این همان چیزی است که ماهواره گرانش کاویا GP-B برای آزمایش آن به فضا فرستاده شده است.
این آزمایش براساس فکربسیار ساده ای انجام می شود: یک ژیروسکوپ (گردش نما) در حال چرخش در مداریدر نزدیکی زمین قرار می دهند ، در حالی که محور چرخش آن به سمت یک ستارهبسیار دور -در نقش یک مرجع ثابت و بدون حرکت- نشانه رفته است. بدون وجودنیروهای خارجی، محور ژیروسکوپ باید تا ابد به سمت همان ستاره ثابتبماند.ولی چون فضا-زمان در نزدیکی زمین خمیده است، جهت محور ژیروسکوپ بهمرور زمان تغییر می کند.با اندازه گیری بسیار دقیق تغییرات جهت محورژیروسکوپ نسبت به ستاره، می توان میزان خمیدگی فضا-زمان را در نزدیکی زمیناندازه گرفت.
اما در عمل این آزمایش بسیار دشوار است: ۴ ژیروسکوپی کهدر GP-B کار گذاشته شده اند، کامل ترین کره هایی هستند که تا به حال بهدست بشر ساخته شده اند.این کره ها که هر کدام به اندازه یک توپ پینگ پونگاند (به قطر حدود ۴ سانتی متر)، از جنس سیلیکون و کوارتز هستند. هیچ گاهاختلاف آنها با یک کره کامل بیش از ۴۰ لایه اتمی نیست. اگر ژیروسکوپ هاکاملا کروی نبودند، محور چرخش آنها حتی بدون اثرات نسبیتی ، حرکت می کرد.
برطبق محاسبات فضا-زمان انحنا پیدا کرده در نزدیکی زمین باعث می شود تا محورژیروسکوپ در طول یک سال به اندازه ی ۰۴۱/۰ ثانیه قوس جابه جا شود. یکثانیه قوس ۳۶۰۰/۱ یک درجه است. برای اندازه گیری دقیق این زاویه، GP-B بهدقت سنجش فوق العاده ۰۰۰۵/۰ ثانیه قوس نیاز دارد.این عمل مانند آن است کهبخواهیم قطر یک ورق کاغذ را از فاصلهی ۱۵۰ کیلومتری اندازه بگیریم.
محققانGP-B فناوری های کاملا جدیدی را برای این اندازه گیری اختراع کرده اند.آنان ماهواره گرانش کاو را کاملا “بدون لرزش” ساخته اند تا در هنگام حرکتماهواره در لایه های بالایی جو به ژیروسکوپ ها لرزشی وارد نشود. آنهادریافتند که چگونه از نفوذ میدان مغناطیسی زمین به داخل فضاپیما جلوگیریکنند و همچنین دستگاهی را برای اندازه گیری چرخش ژیروسکوپ ، بدون تماس باآن، اختراع کردند.
فرانسیس اوریت ، استاد فیزیک دانشگاه استنفورد ومحقق اصلی پروژه GP-B می گوید: “در جریان انجام آزمایش هیچ حادثه غافلگیرکننده ای اتفاق نیفتاده است.” اکنون که مرحله جمع آوری اطلاعات پایانیافته است ، او می گوید : “دانشمندان GP-B با اشتیاق و علاقه بیشتری بهکار خود ادامه می دهند و کار سخت پیش روی خود را نادیده نمی گیرند.”
درمرحله بعدی آنها باید اطلاعات گرفته شده را به طور دقیق و کامل بررسیکنند.اوریت توضیح می دهد که دانشمندان GP-B این کار را در سه مرحله انجاممی دهند: در مرحله اول آنان اطلاعات را به صورت روز به روز بررسی می کنندتا بی نظمی های موجود در آنها را بیابند. سپس اطلاعات را به صورت ماه بهماه در می آورند و در نهایت آنها را به صورت یک مجموعه کامل به دست آمدهدر طول یک سال، تحلیل می کنند. بدین ترتیب دانشمندان ایرادات موجود دراطلاعات را ، که از طریق یک روش تجزیه و تحلیل ساده نمی توان پیدا کرد، مییابند.
نهایتا دانشمندان از سراسر دنیا نتایج را به دقت بررسی میکنند.اوریت می گوید: “بدین طریق به سخت ترین منتقدان، اجازه شرکت در اینپروژه داده می شود.” اگر GP-B بتواند به طور دقیق چاله فضا-زمانی را کهانتظار می رود مشخص کند، بدین معنی است که بر اساس باور عمومی فیزیکداناننظریه اینشتین حقیقت داشته است ولی اگر این گونه نشود، چه اتفاقی رخ خواهدداد؟ شاید ایرادی در نظریه نسبیت عام اینشتین یافته شود. اختلاف کوچکی کهظهور انقلابی بزرگ را در فیزیک عصر جدید اعلام خواهد کرد.