پروفسور کامران وفا برنده جایزه مصطفی در سال 2021 بوده است
همه تحت لوای یک قانون
چطور پروفسور کامران وفا و دیگر نظریه‌پردازان ریسمان در پی تحقق رویای آینشتاین تا آستانه گسست مرزهای فیزیک پیش می‌روند
آینشتاین چهار دهه پایانی عمرش را بی هیچ موفقیتی صرف رویای وحدت بخشیدن به نظریه نسبیت عام و مکانیک کوانتومی کرد. او در سخنرانی مراسم دریافت جایزه نوبل‌اش در سال 1923 می‌گوید «اندیشمندی که در پی یک نظریه یکپارچه است نمی‌تواند به این فرض بسنده کند که دو میدان وجود دارد که به ذات به‌کلی مستقل از یکدیگرند.»
این رویا سال‌ها است که به جام مقدس فیزیک تبدیل شده است، رویای یک «نظریه همه‌چیز» یا آنطور که برخی فیزیک‌دانان می‌پسندند، «نظریه نهایی». با اینکه امروز نیز کم‌وبیش اوضاع همچنان به همان منوال است اما بسیاری از فیزیک‌دانا باور دارند اکنون مسیر درست رسیدن به آن رویا را می‌دانند: نظریه ریسمان. کامران وفا می‌گوید «این تنها نظریه‌ای است که ناسازگاری نظریه نسبیت عام آینشتاین با دنیای میکروسکوپی مکانیک کوانتومی را برطرف کرده است.»
وفا، فیزیک‌دانی پیشرو که به واسطه کارهای پیشگامانه‌اش در نظریه ریسمان شهرت جهانی دارد، درست به اندازه آینشتاین در پی تحقق این رویا بوده است. به گفته او «من از ابتدای تحصیلات دانشگاهی‌ام در میانه دهه 1980 در دانشگاه پرینستون روی نظریه ریسمان کار کرده‌ام، و بی‌وقفه آن را تا به امروز ادامه داده‌ام.» او باور دارد نظریه ریسمان «بنیادی‌ترین نظریه جهان است. و اینکه آیا نظریه نهایی است یا اینکه آیا اساسا چیزی به عنوان نظریه نهایی وجود دارد، هنوز روشن نیست.»
***
2500 سال پیش، امپدوکلس، فیلسوف یونانی، در اثر بزرگش، در باب طبیعت، این‌طور فرض می‌کند که همه‌چیز از چهار عنصر تشکیل شده است: خاک، آب، باد، و آتش. او باور داشت این عناصر یا آنطور که او می‌نامید، ریشه‌ها، به واسطه دو نیروی متضاد حرکت می‌کنند؛ عشق و نفرت. آن زمان همه چیز با این چهار عنصر و دو نیرو تبیین شده بود. چقدر خوب بود؟ با این حال به نظر می‌رسد این آخرین باری بود که ما یک نظریه همه‌چیز داشتیم.
آن نظریه دوام چندانی نیافت و تنها یک قرن بعد نتوانست تنوع مواد بنیادینی که کیمیاگران پیدا کرده بودند را توضیح دهد. جست‌وجو برای مواد بنیادی تا جایی پیش رفت که در قرن هجدهم شیمی‌دانان جدولی با نزدیک به 100 عنصر را ترسیم کردند. با این حال با کشف اتم و ساختار درونی‌اش، عصر فروکاست‌گرایی مدرن آغاز شد.
در پایان قرن نوزدهم، فیزیک‌دانان در تلاش برای تبیین اینکه چرا اتم‌ها نور را تنها در طول‌موج‌های معینی گسیل می‌کنند یا نشر می‌دهند، مکانیک کوانتومی را به وجود آوردند. سپس آینشتاین در سال 1905 با نظریه نسبیت خاص برای ادغام فضا و زمان، وارد میدان شد و یک دهه بعد نظریه نسبیت عام را برای ادغام نسبیت خاص با گرانش مطرح کرد. در ادامه کوشش‌های فیزیک‌دانان برای رفع تناقض میان مکانیک کوانتومی و نسبیت خاص منجر به موفقیت چشمگیری در ارائه الکترودینامیک کوانتومی شد.
با ظهور ماشین‌های برخورد‌دهنده ذرات که از انرژی کافی برای کاوش نیروی هسته‌ای برخوردار بودند، فیزیک‌دانان دروازه یک باغ وحش ذره‌های زیراتمی را گشودند، که در روند وحدت‌بخشی فیزیک یک عقب‌نشینی مختصر بود. با این حال، به زودی دریافتند که بیشتر آنها در واقع ذره‌های مرکب بودند که از 25 ذره بنیادی تشکیل شده‌اند و سه برهم‌کنش بنیادی بر آنها حاکم است: الکترومغناطیسی، هسته‌ای ضعیف، و هسته‌ای قوی. روند وحدت‌بخشی داشت غوغا به پا می‌کرد.
اما نقطه اوج واقعی داستان وقتی فرارسید که فیزیک‌دانان موفق شدند از طریق یک وحدت باشکوه، موسوم به برهم‌کنش الکتروضعیف، نیروی هسته‌ای ضعیف، که عامل واپاشی رادیواکتیو است، را با نیروی الکترومغناطیسی ادغام کنند. این وحدت به حدی درخشان بود که همه متقاعد شده بودند گام معقول بعدی باید یک «نظریه وحدت بزرگ» (GUT) باشد که هر سه برهم‌کنش بنیادی را دربر می‌گیرد.
در تمام آن سال‌های سرشار از پیروزی تا به امروز، نسبیت عام همواره به شکل یک دردسر عظیم باقی ماند. این نظریه به هیچ وجه حاضر نیست به ادغام دوستانه با مدل استاندارد ذرات بنیادی تن در دهد. در طول 80 سال گذشته، فیزیک‌دانان حتا نتوانستند یک نسخه کوانتومی از گرانش بسازند، چه رسد که آن را با سایر برهم‌کنش های بنیادی در قالب یک نظریه همه‌چیز ادغام کنند. اکنون، در پایین‌ترین سطح بنیادهای فیزیک، دو نظریه بی‌نهایت موفق اما ناسازگار با هم داریم: مدل استاندارد که دنیای میکروسکوپی را توضیح می‌دهد و نسبیت عام که جهان را در بزرگ‌ترین مقیاس‌هایش تبیین می‌کند.
***
نظریه ریسمان در ابتدا برای توصیف برهم‌کنش هسته‌ای ضعیف به وجود آمد، اما نظریه دیگری – کرومودینامیک کوانتومی – این وظیفه به نحو شایسته انجام داد. در میانه دهه 1970، فیزیک‌دانان متوجه شدند که ریسمان‌ها، با وجود سرآغاز ننگین‌شان، ویژگی هیجان‌انگیزی دارند و انگار نیرویی بین‌شان رد‌وبدل می‌شود که درست شبیه گرانش است. به این ترتیب ریسمان‌ها این بار به عنوان ایده نوید‌بخشی برای بسط یک نظریه همه‌چیز احیاء شدند.
وفا می‌گوید نظریه ریسمان مبتنی بر این فرض است که «جوهرهای بنیادی ماده، ذره‌های نقطه-مانند مثل الکترون‌ها نیستند بلکه چیزهای بسط‌یافته‌ای شبیه ریسمان هستند.» بر اساس این نظریه، این زیرساختارهای ریسمان-مانند باید ساکن دنیایی باشند که ابعادش خیلی بیشتر از سه تا است. برای پیدا کردن این ابعاد اضافه به خودتان زحمت ندهید؛ اندازه آنها محدود است به اصطلاح به حدی «فشرده‌اند» (compactified) که نمی‌توانیم آنها را ببینیم. نسخه‌های ابتدایی نظریه ریسمان برای حفظ انسجام ریاضیاتی‌شان به یک فضا-زمان 26 بعدی نیاز داشتند که در ادامه با معرفی «ابرتقارن»، این تعداد به 10 بعد کاهش یافت. به گفته وفا «نظریه ریسمان در موقعیت‌هایی بهتر درک می‌شود که ما تقارنی موسوم به ابرتقارن داریم. ابرتقارن این فرض را مطرح می‌کند که تمام ذره‌ها به صورت جفتی هستند: به ازای هر بوزون یک فرمیون وجود دارد.»
در میانه دهه 1980، پنج نظریه ریسمان وجود داشت که همگی 10-بعدی و ابرمتقارن بودن، و همه آنها گراویتون (ذره فرضی حامل برهم‌کنش گرانش) را نیز شامل می‌شدند. سپس در میانه دهه 1990، گروهی از فیزیک‌دانان، به‌ویژه ادوارد ویتن (E.Witten)، یکی از بزرگ‌ترین نام‌ها در تاریخ نظریه ریسمان و استاد راهنمای رساله دکترای وفا در دانشگاه پرینستون در سال 1985، یک نظریه 11-بعدی موسوم به نظریه M را معرفی کردند که تمام نسخه‌های ابتدایی نظریه ریسمان را دربر می‌گرفت. با این حال نظریه M ایرادهایی داشت و در ادامه نتوانست انتظارات را برآورده کند. کاستی‌هایی از این دست وفا را بر آن داشت که «فشرده‌سازی‌های» جدیدی از نظریه ریسمان از جمله نظریه F (نخستین بار در سال 1996) را توسعه دهد. البته هدف نظریه F رفع مشکلات نظریه M نبود. در واقع وفا با معرفی نظریه F، گوشه دیگری از چشم‌انداز ریسمان – متفاوت از آنچه در نظریه M مطرح شد – را تبیین کرد که در ادامه معلوم شد از اهمیت فراوانی برخودار است.
در نظریه ریسمان، فشرده‌سازی‌های متفاوت منجر به راه‌حل‌های متفاوتی می‌شود؛ که هریک جهان یکتایی با مجموعه یکتایی از ذرات بنیادی و برهم‌کنش‌های بنیادی را توصیف می‌کند. مجموعه این راه‌حل‌های ممکن که به آن «چشم‌انداز» گفته می‌شود بی‌اندازه بزرگ است. عموما باور نظریه‌پردازان ریسمان این است که تعداد راه‌حل‌ها 10500 است اما می‌تواند به شکل جنون‌آمیزی بالاتر (10272000) باشد.
برخی نظریه‌پردازان ریسمان تلاش کرده‌اند با ربط دادن این نظریه به ویژگی‌های شناخته‌شده – ذرات و برهم‌کنش‌های بنیادی – جهانی که در آن زندگی می‌کنیم ، به جنگ مسأله چشم‌انداز بروند. اما طی دو دهه گذشته، نظریه F به فیزیک‌دانان امکان داده که رویکرد متفاوتی را در پیش بگیرند. وفا نشان داد که «چطور ویژگی‌های توپولوژیک و هندسی ابعاد اضافی در نظریه ریسمان می‌تواند به عنوان ویژگی‌های فیزیکی موجود در ابعاد مشاهده‌شده تعبیر شود.» در واقع نظریه F به پژوهشگران کمک کرد همه‌چیز را به صورت کاملا هندسی توصیف کنند. به این ترتیب آنها برای آنالیز روش‌های گوناگون فشرده‌سازی ابعاد اضافی در نظریه F و یافتن راه‌حل‌ها، عملا می‌توانند از تکنیک‌های جبری در مواجهه با مسأله‌های هندسی استفاده کنند. زبان هندسی، همان ویژگی کلیدی نظریه F است که آن را به چارچوبی بسیار قدرتمند تبدیل کرده است.
مشارکت وفا در این حوزه به نظریه F محدود نمی‌شود؛ او در مورد جنبه‌های فرمی نظریه، ازجمله کشف «تقارن‌های دوگان»، نیز پژوهش کرده است. در میانه دهه 1990، وفا و همکارش، اندرو استرومینگر (A.Strominger)، نشان دادند که انتروپی سیاه‌چاله‌ها – طبق آنچه توسط بکنشتاین و هاوکینگ پیش‌بینی شده – را می‌توان از منظر عمیق‌تری در نظریه ریسمان و به عنوان اجرام درهم‌پیچیده به دور ابعاد اضافی در فضا استنتاج کرد. از این یافته به عنوان نخستین اثبات صریح اصل تمام‌نگاری در یک نظریه هم‌آورد نظریه گرانش کوانتومی یاد می‌شود. به گفته وفا «این یکی از نخستین تایید‌های غیر-بدیهی نظریه ریسمان بود که اهمیت بعدهای اضافی و همچنین اهمیت ماهیت بسط‌یافته اجرام بنیادی در نظریه ریسمان را نشان داد.»
***
وفا در سال‌های اخیر برنامه‌ای موسوم Swampland را آغاز کرده است که نشان می‌دهد چطور قید انسجام گرانش کوانتومی محدودیت‌های شدیدی را بر نظریه‌های کوانتومی منسجم اعمال می‌کند. اصطلاح Swampland که او در سال 2005 باب کرد، در واقع به آن دسته از نظریه‌های فیزیکی اشاره دارد که با نظریه ریسمان سازگار نیستند. وفا مفهوم Swampland را به عنوان روشی پیشنهاد داد که فیزیک‌دانان بتوانند به کمک آن وارد چشم‌انداز بی‌نهایت وسیع راه‌حل‌ها شوند و بخش بزرگی از آن را به عنوان نظریه‌های فاقد انسجام فیزیکی کنار بگذارند. وفا معتقد است با وجود وسعت بسیار زیاد چشم‌انداز راه‌حل‌ها، راه‌حل یکتایی وجود دارد که با جهان ما مطابق است. به گفته او «شرط می‌بندم که دقیقا یکی هست، اما پیدا کردنش کار آسانی نیست.»
نظریه ریسمان اغلب با این نقد مواجه می‌شود که صرفا نتایج ریاضیاتی انتزاعی ارائه می‌کند و هیچ پیش‌بینی سنجش‌پذیری ندارد. وفا می‌پذیرد که شدت دشواری‌های فنی‌ای که برای ربط دادن نظریه ریسمان به آزمایش، باید بر آنها غلبه کرد بسیار فراتر از آن است اکنون قابل رفع باشند. اما «این نباید به عنوان یک نقطه‌ضعف در روند توسعه نظریه ریسمان دیده شود» به باور او «پیشرفت نظری به دست آمده در نظریه ریسمان یکی از برجسته‌ترین دستاوردها در تاریخ علم است.» با این حال او می‌گوید «البته هنوز به درک عمیق‌تری از چیستی نظریه ریسمان نیاز داریم، و این مستلزم دهه‌ها پیشرفت است. وقتی گرد‌وغبار فرو بنشیند، به جایی می‌رسیم که احتمالا بسیاری از شاخه‌های فیزیک و ریاضی دستخوش تحول‌های انقلابی خواهند شد.»
