دید کلی
در مطالعات مرسوم در مدرن‌ترین فیزیک ،
کوانتومی نسبیتی ،
ذرات بنیادی را به صورت نقاط ریاضی و بدون گستردگی فضایی در نظر می‌گیرند. این رهیافت موفقیت‌های بسیار چشمگیری داشته است، ولی در انرژیهای خیلی خیلی زیاد یا فاصله‌های بسیار بسیار کوتاه که شدت بین همه نیروها با هم قابل مقایسه می‌شود، این رهیافت با شکست روبرو می‌شود. در سال 1974
ژوئل شرک و
جان شوارتز به منظور غلبه بر این مشکل ، توصیف وحدت یافته‌ای از
ذرات بنیادی را بر اساس منحنی‌های یک‌بعدی بنیادی ، به نام (نظریه ریسمان|ریسمان)) ، مطرح کردند که به نظر می‌رسد که از هر نوع ناسازگاری موجود در سایه
نظریه‌های وحدت نیروها مبرا است. نظریه‌های ابرریسمان با بهره‌گیری از نوعی تقارن به نام ابرتقارن ، بیشترین امیدواری را برای ارائه نتایج واقع‌بینانه پدید آورده‌اند.
گرانش و نظریه ابرریسمان
تعداد نظریه‌های کوانتومی مربوط به ذرات نقطه‌ای که از سازگاری ریاضی برخوردارند، زیاد است، ولی هیچ یک از آنها شامل گرانش نمی‌شود. در مورد ریسمانها ، که تک بعدی هستند، سازگاری و انسجام نظریه ، مستلزم منظور کردن گرانش است. از آنجا که نظریه ریسمان نیاز به گرانش دارد، دینامیک آن
هندسه فضا_زمان (و از جمله ابعاد آن) را به صورت بخشی از ویژگی خلا تعیین می‌کند. در واقع برای هر تعداد بعد فضایی تا نه بعد (و خود نه بعد) به اضافه یک
بعد زمانی ، جوابهای اختلالی از سازگاری بیشتری برخوردار می‌شوند. بنابراین بعد فضا_زمان خاصیتی از جواب است و نه خاصیتی از خود نظریه. تعداد زیادی از جوابهای شناخته شده در
فضا_زمان چهار بعدی ، در واقع یک بس لایه فضا_زمان ده بعدی را توصیف می‌کنند که شش بعد فضایی آن در فضای بسیار بسیار کوچک در هم فشرده می‌شوند و در انرژیهای معمولی نامرئی هستند.
برهمکنشهای نظریه ریسمان
یکی از روشهای استاندارد مطالعه نظریه‌های کوانتومی ، استفاده از بسط سری توانی بر حسب
ثابت پلانک است. در این رهیافت اختلالی ، نمودارهای فاینمن که از شبکه‌‌هایی از خطوط تشکیل می‌شوند، نشان دهنده
برهمکنشهای ذرات نقطه‌ای هستند. نمودارهای فاینمن برهمکنشها را به کمک اتصال یا انشعاب جهان خطها به نمایش می‌گذارند. حاصل جمع مشارکتهای وابسته به تمام نمودارهای مجاز فاینمن دامنه کامل برهمکنش را مشخص می‌کند و مربع آن احتمال برهمکنش را بدست می‌دهد.
برهمکنشهای نظریه ریسمان به صورت مشابه آنچه که در بالا ذکر شد، فرمول‌بندی شده‌اند. مسیر فضا_زمانی هر ریسمان ، رویه‌ای دو بعدی است که به آن
جهان برگ ریسمان می‌گویند. یک بار دیگر در اینجا طبقه بندی توپولوژیکی نمودارهای فاینمن مطرح می‌شوند، که اکنون رویه‌های دو بعدی هستند.
نمودار شلواری
نظریه پردازان ریسمان ، جهان برگهای ریسمانی را با استفاده از روشهای ریاضی مربوط به تحلیل
کمیتهای مختلط ، بصورت
رویه‌های ریمانی توصیف می‌کنند. نظریه‌های مربوط به ریسمانهای بسته جهت یافته (حلقه‌ها) فقط دارای یک نوع برهمکنش بنیادی هستند، که آن را با استفاده از نموداری با
توپولوژی پاچه‌های شلوار توصیف می‌کنند. وقتی که یک صفحه (که لحظه‌ای از زمان را نشان می‌دهد) پاچه‌های نموداری شلواری را قطع کند، دو ریسمان بسته حاصل می‌شود. اگر این صفحه شلوار را در نزدیکی کمر قطع کند، تنها با یک ریسمان بسته روبرو می‌شویم. واضح است که در زمانهای بینابینی دو ریسمان بسته به هم نزدیکتر می‌شوند، با هم در تماس قرار می‌گیرند و به همدیگر ملحق می‌شوند.
آیا نظریه ریسمان قابل آزمودن است؟
بعضی‌ها در این زمینه ابراز بدبینی می‌کنند، زیرا بارزترین جنبه‌های نظریه ریسمان در گستره
انرژی پلانک ظاهر می‌شود که به لحاظ تحقیق تجربی بسیار دورتر از دسترسی است. با این همه ، با چند امکان امیدوار کننده نیز روبرو هستند. به جز آشتی بین گرانش و
مکانیک کوانتومی ، هیچ رهیافتی برای انجام این کار به نظر نمی‌رسد.
خواص ذرات بنیادی و ریسمان
از نظریه ابرریسمان برای استخراج خواص ذرات بنیادی نیز می‌توان استفاده کرد. دسته‌های بزرگ از جوابهای معادلات ریسمان ویژگیهای واقع بینانه‌ای دارند. هر یک از این جوابها نیازمند وجود
ذرات ابرتقارنی است که جرم آنها خیلی بیشتر از محدودیتهای تجربی کنونی نیست. بنابراین اگر نظریه ریسمان درست باشد، کشف ذرات ابرتقارن در اوایل قرن بیست و یکم امکان پذیر است. این موضوع یک دلگرمی برای نظریه پردازان نظریه ریسمان نیست. احتمالا در
انفجار بزرگ تعدادی ذره با جرم پلانک بوجود آمده‌‌اند و به عنوان موجودات پایدار تا عصر حاضر دوام آورده‌اند.
احتمال دیگر اینکه شناخت موفقیت آمیز
کیهان شناسی عالم در آغاز پیدایش مستلزم قبول جنبه‌های مشخصه نظریه ابرریسمان است. برای مثال
نظریه ریسمان بطور طبیعی تعدادی از جالب‌ترین موارد
ماده تاریک نامرئی و مرموز را ، که قسمت اعظم
جرم عالم به آن نسبت داده می‌شود ، در بر می‌گیرد. این موارد ، ذرات ابرتقارنی معینی به نام
نوترالینو و همچنین
نوترینوها و
آکسیونهای پرجرم را شامل می‌شود.
نظریه نسبیت عام و نظریه ابرریسمان
تاریخچه نظریه ریسمان بطور در خور توجهی با تاریخچه
نسبیت عام تفاوت دارد. در مورد نسبیت عام ،
انیشتین اقدام به فرمول‌بندی اصول فراگیر معینی (
اصل هم‌ارزی و
هم‌وردائی عام) کرد و آنگاه به کمک دیگران تجسم ریاضی مناسب آنها را به زبان
هندسه ریمانی یافت. این موضوع منجر به یافتن معادلات دینامیکی و پیش‌‌بینی‌های تجربی موفقیت‌آمیز شد.
در نظریه ریسمان ، اصول بنیادی که بتوان آنها را تعمیم اصل هم‌ارزی و
ناوردایی مختصات عام در نظر گرفت، هنوز شناسایی نشده‌اند. گرچه این تعمیم‌ها مطمئنا باید وجود داشته باشند، زیرا نسبیت عام تقریبی از نظریه ریسمان در انرژی کم (برد بلند) است. این اصول ، هرچه که باشند، احتمالا به نوع جدیدی هندسه نیاز دارند.
پیامدهای احتمالی درست بودن نظریه ریسمان
پس از فرمول‌بندی صحیح هندسی که در بر گیرنده اصول بنیادی نظریه ریسمان بصورتی قابل درک باشد، مطالعه این موضوع که نظریه ریسمان چگونه می‌تواند
نسبیت عام کلاسیک را در فواصل کوتاه اصلاح کند، جالب توجه خواهد بود. مطالعه کاربرد نظریه ریسمان بویژه در مورد خواص
سیاهچاله‌ها ، علاقه‌مندان فراوانی دارد. «
استفن هاوکینگ» اظهار کرده است که وجود سیاهچاله‌ها حاکی از نقص مکانیک کوانتومی است، اما نشانه‌هایی وجود دارد که در نظریه ریسمان چنین وضعیتی برقرار نیست.
مباحث مرتبط با عنوان
