ما هي نظرية الأوتار الفائقة ؟
 

اجابة سؤال الاستاذ عزام سليمان

ما هي نظرية الأوتار الفائقة ؟

باختصار
نعرض في هذه المقالة كل ما يجب معرفته عن نظرية الأوتار، إحدى أروع النظريات الفيزيائية (وأكثرها إثارة للجدل) على الإطلاق.

http://www.interactions.org/quantumu...perstrings.jpg
نظرية فيها 26 بعداً، أجسام ذات كتلة وهمية قد تسبب بانهيار فيزياء الكون، وفكرة تقول أن الجسيمات والقوى ما هي إلا نتيجة لتحفيز أنماط اهتزازية... نظرية الأوتار، وكل ما ينتج عنها، يعد مذهلاً. ولكن، هل هي ناجحة فعلياً؟ فنحن هنا لا نتعامل إلا مع أربعة أبعاد، ثلاثة للمكان والرابع للزمن، أي أنه لدينا 22 بعداً زائداً.
هنا يأتي دور نظرية الأوتار الفائقة.
أساس نظرية الأوتار
تقول نظرية الأوتار؛ إن كل المادة في الكون مؤلفة من أوتار صغيرة أحادية البعد، لا جسيمات نقطية (ذات بعد صفري بطبيعتها). وفقاً لنظرية الأوتار، فإن "الأوتار" هي قطع صغيرة من الطاقة النقية، وتعتبر أصغر مكونات المادة وتفاعل القوى في كوننا. يُقدّر طول الأوتار الكمومية العامة بحوالي10-33 سم، وهو مقدار صغير لدرجة مذهلة.
بالنسبة لدارسي نظرية الأوتار، فإن كل شيء في الكون (فيرميونات، كواركات وليبتونات، هادرونات، بوزونات، وحوامل القوة كالفوتونات) يعرف بنمط الاهتزاز (والاتجاه أيضاً، في العادة) لأوتاره.

تتضمن نظريات الأوتار التقليدية نوعين من الأوتار، مفتوحة ومغلقة. عادة، يوجد للأوتار المفتوحة نهايتان، وتختلف في الطول. من ناحية أخرى، فإن الأوتار المغلقة لا نهايات لها، وهي عموماً دائرية الشكل (ما لم تكن بوضع مهتز، طبعاً). من المثير للسخرية أن بعض هذه النظريات تتضمن أوتاراً مفتوحة، ولكنها جميعاً تتطلب وجود أوتار مغلقة.

قام ستيفن س. جوبستر، وهو بروفسور فيزياء في جامعة برينستون، ومؤلف "الكتاب الصغير حول نظرية الأوتار"، بتلخيص النظرية بشكل جميل، حيث يؤكد أن "نظرية الأوتار تهدف لأن تكون صورة جامعة، حيث كل جسيم هو نمط اهتزازي مختلف لوتر."
إن "النمط الاهتزازي" للوتر ليس سوى طريقة متحذلقة لتعريف الطريقة التي يتذبذب بها. إليكم مثالاً نظرياً: إذا اهتز وتر بطريقة ما، ولتكن a، فقد يظهر صفات كوارك علوي. إذا كان لدينا وتر آخر بنفس الصفات، نحصل على وترين باهتزاز من النمط a، أو كواركين علويين. ولكن، إذا كان لدينا وتر ثالث يهتز بطريقة مختلفة b، ويتصرف ككوارك سفلي، فإن التفاعل الناتج بين الأوتار الثلاثة يلخص كما يلي: a+a+b، أي كواركين علويين وكوارك سفلي، وينتج عنها بروتون.
ملاحظة: على الرغم من أن إشارة الزائد تعتبر عملية رياضية بحتة، فإنه من الممكن أن تعبر عن التفاعلات بين هذه "الكواركات" الجديدة، وتلعب فعلياً دور وتر/جسيم بحد ذاتها! يسمي دارسو نظرية الأوتار هذه الجسيمات بـ (جلوونات)، وهي مسؤولة عن القوة النووية الشديدة، ولا يمكن أن تتواجد بشكل مستقل بمعزل عن أنظمة كمومية كهذه.
لننظر إلى المثال بالطريقة المعاكسة: البروتون هو جسيم مركب (أو هادرون) مؤلف من كواركين علويين وكوارك سفلي، وكل من هذه الكواركات تجسيد للوتر الذي يمثله.
في نظرية الأوتار، تحوي الكواركات على أجزاء من الطاقة تتواجد في سطح أحادي البعد، أي طول. إذا كان لجسم ما طول فقط، لا بد أن يكون رفيعاً بشكل لانهائي، أي ليس له عرض، وبالتالي يجب أن نتخيله كخط. فضل العلماء استخدام "الأوتار" بدلاً "الخطوط" لأن الأوتار مرنة، ويمكن ثنيها بعدد كبير جداً من الطرق، مما ينتج طيفاً كبيراً جداً من الأنماط الاهتزازية أو "النغمات".
البرينات ونظرية الأوتار الفائقة
على الرغم من مكانة نظرية الأوتار الفائقة في العديد من المجالات، خصوصاً في ميكانيكا الكم والكونيات، فإنها تحوي على عيوب يمكن أن تقلب الكون رأساً على عقب. تقدم النظرية فرضية معقولة حول التفاعلات على المستوى الكمومي، بدءاً من مكونات الكواركات، وصولاً إلى جزيء الجرافيتون الذي طال البحث عنه، وهو الجسيم المسؤول عن التفاعلات التجاذبية بين الأجسام، معدوم الكتلة وذو رقم لف صحيح يساوي +/-2.
من ناحية أخرى، تكمن المشكلة في الرياضيات المعقدة لنظرية الأوتار، والتي تتطلب حتى تنجح وجود 26 بعد مكاني. على الرغم من أن هذا العدد كبير جداً، إلا أنه من الممكن فتل هذه الأبعاد أو طيها في مناطق ضيقة من الزمكان، وبالتالي قد يصبح من الممكن تخفيض العدد إلى أربعة. إن وجود ستة وعشرين بعداً للزمكان في نظرية الأوتار يعني وجود مشاكل كبيرة، نذكر منها اثنتين:
نظرية الأوتار "البوزونية" (وهي نظرية الأوتار الأصلية) لا تسمح بوجود الفيرميونات (البروتونات، النيوترونات...إلخ)، وتسمح فقط بوجود حوامل القوة