روز يكشنبه 17 آوريل 1955 آلبرت اينشتين ، بزرگ ترين دانشمند قرن بيستم درگذشت. در كنار بسترش آخرين محاسبات وي قرار داشت كه حاوي تلاش هاي بي نتيجه اش براي خلق روياي «تئوري ميدان واحد» بود. اين تئوري شرح خلاصه و منسجمي از تمام نيروهاي شناخته شده كيهان محسوب مي شد.اينشتين بيش از سي سال در جست وجوي چنين تئوري بود، بدون آنكه به موفقيتي دست يابد. به نظر مي رسد امروزه، پس از گذشت حدود نيم قرن از درگذشت وي، ممكن است رويايش به تحقق بپيوندد.

Focus,Nov.2003-  رابرت متيوز - ترجمه سليمان فرهاديان

بعضي از برجسته ترين فيزيكدانان نظري جهان بر اين باورند كه به يك تئوري جادويي دست يافته اند كه بسيار فراتر از چيزي است كه حتي اينشتين تصور مي كرد. اين تئوري در شكل نهايي خود نه تنها مي تواند تمام نيروهاي موثر در جهان و تمام ذراتي را كه در اين جهان بر هم كنش دارند، تشريح كند، بلكه مي تواند تفسيري از خود فضا و زمان نيز ارائه دهد. با اين وصف جاي شگفتي نيست كه اين مفهوم «تئوري همه چيز»  Theory of Everything  نام گرفته است.

اين مفهوم از آزمايشاتي كه طي تابستان سال 1813 در آزمايشگاه ويكتوريا انجام شد، به وجود آمد.مايكل فارادي فيزيكدان برجسته انگليسي، در انجمن سلطنتي لندن به تحقيق در مورد ارتباط بين ا لكتريسيته و مغناطيس پرداخت. وي دريافت الكتريسيته و مغناطيس به رغم تفاوت ظاهري، فقط دو جنبه متفاوت از يك پديده بنيادي بودند.  

 در سال 1861 تئوري پرداز اسكاتلندي جيمز كلرك ماكسول توانست دستاوردهاي فارادي را به زبان رياضي بيان كند. اين نتايج كه امروزه به افتخار وي معادلات الكترو مغناطيس ماكسول ناميده مي شود، توانست وحدت بنيادين الكتريسيته و مغناطيس را به وضوح بيان كند.

 اما آن يك پرسش مهم ديگر را نيز به همراه آورد: آيا اين وحدت كيهاني آن قدر توسعه مي يابد كه آشناترين نيروي طبيعت يعني گرانشي را نيز در بر بگيرد؟ اينشتين بيش از هر فيزيكدان پيش از خود، هم اعتقاد و هم هوشمندي لازم براي وحدت گرانش و الكترومغناطيس را داشت. با اين همه وي بسيار سريع دريافت كه اين چالش بسيار مشكل تر از چيزي است كه وي در ابتدا تصور مي كرد. اولين مانع عمده يافتن راهي براي تركيب نسبيت عام ، تئوري گرانش خود وي ، با معادلات ماكسول در چارچوب معادله اي سازگار و واحد بود. مطابق نسبيت عام گرانش نتيجه انحناي ساختار به هم پيوسته فضا و زمان اطراف ماست. در مقابل معادلات ماكسول به الكترو مغناطيس به عنوان نوعي «ميدان نيرو» نگاه مي كند كه در اين عرصه چهار بعدي جريان مي يابد.

 در سال 1919 اينشتين به چيزي كه گمان مي كرد كليد اصلي براي وحدت اين دو تئوري مجزا است، دست يافت. رياضي دان آلماني، تئودور كالوزاKaluza  نشان داد كه مجموعه اي از معادلات مي تواند هر دوي اين تئوري ها را در برداشته باشد، فقط به اين شرط كه جهان شامل يك بعد اضافي يعني بعد پنجم باشد.  در سال 1926 اسكار كلين Klein پاسخي براي اين پرسش پيدا كرد. وي حدس زد كه شايد اين بعد آن چنان كوچك شده است كه ديگر غيرقابل تشخيص است، درست مثل مو كه آن چنان باريك شده است كه به نظر مي رسد تك بعدي است.

هر چند اينشتين به طور شهودي اهميت اين نكته را دريافت، اما نتوانست با استفاده از دستاورد كلوزا و كلين بين گرانش و الكترومغناطيس وحدتي را كه در جست وجويش بود ايجاد كند.  در زمان مرگش كه در سال 1955 روي داد، بسياري از فيزيكدانان بر اين عقيده بودند كه وي وقتش را با رياضيات مبتكرانه اما بي محتوا تلف كرده است. اين ايده با توجه به اين كه زماني كه اينشتين درگير تئوري ميدان واحد خود بود، دو نيروي اساسي ديگر كشف شد، تا حدودي قوت گرفت.اين نيروها برهم كنش قوي و ضعيف نام گرفت. برهم كنش قوي عامل به هم پيوستن هسته هاي اتمي و بر هم كنش ضعيف موجب به وجود آمدن پديده راديو اكتيويته مي شود. بدتر آنكه فكر مي كردند با در نظر گرفتن اين نيروها به عنوان ذرات «ناقلي» كه نيرو را از مكاني به مكان ديگر انتقال مي دهند، تشريح كرد، كه كاملا با نگرش اينشتين به گرانش تفاوت داشت. نكته جالب آنكه، به رغم همه اين ها، در نهايت ثابت شد كه باور اينشتين مبني بر اهميت ايده كلوزا وكلين درست بود، هر چند كه براي درك اين نكته بايد متحمل زحمات فراواني شد.

ابتدا دانشمندان  علاقه مند شدند كه الكترومغناطيس را با نيروي هسته اي ضعيف كه به تازگي كشف شده بود، ادغام كنند. به اعتقاد آنان راه حل اين مشكل تئوري ميدان كوانتوم QFT بود. مطابق تئوري ميدان كوانتوم هر نيروي بنيادي، ذره ناقل ويژه خود را دارد. فيزيكدانان طي دهه 1950، تلاش براي كشف شباهت هاي بين حامل هاي الكترومغناطيس (فوتون ها) و نيروي هسته اي ضعيف ، ذرات W  را آغاز كردند.

در پايان دهه 1960 سه نظريه پرداز _ استيون واينبرگ  Weinberg.S  و شلدون گلاشو  Glashow.S  از ايالات متحده و عبدالسلام  Abdus Salam  از انگلستان _ مستقل از يكديگر تئوري هايي را ابداع كردند كه نشان مي داد اين دو نيرو در حقيقت فقط جنبه هاي متفاوتي از نيروي واحد «الكترو ضعيف» هستند. مهمتر آنكه ادغام اين دو نيرو موجب پيش بيني آثار ظريف و جديدي مي شد كه با آزمايش بتوان صحت و سقم آن را تعيين كرد.هنگامي كه در دهه 1970 و زمان انجام آزمايش براي تعيين صحت و سقم اين پيش گويي ها فرا رسيد، فيزيكدانان اولين ادغام موفق نيروها را پس از كار بزرگ ماكسول كه بيش از يك قرن پيش انجام شده بود، جشن گرفتند.

  در سال 1973 هووارد گئورگي Georgi   كه به همراه ساير همكارانش سرگرم تحقيق بود به يك ساختار رياضي دست يافت كه الكترومغناطيس و نيروهاي هسته اي ضعيف و قوي را با يكديگر ادغام مي كرد. اين تئوري كه به نام تئوري وحدت بزرگ  GUT  خوانده مي شود، حقيقتا بينش بسيار عميقي را در مورد نيروهاي بنيادين طبيعت به دانشمندان ارائه كرد و مشخص شد كه هر سه اين نيروها زماني بخشي از يك «ابرنيرو»ي واحد بودند كه درست پس از انفجار بزرگ  Big Bang  بر جهان سلطه داشتند. پس از آنكه جهان سرد شد، اين نيروها نيز تفكيك شدند و جهاني را كه امروز شاهد آن هستيم، به وجود آوردند. اين تئوري نيز پيش گويي هايي انجام داد، اما اين بار تأييد آنها بسيار مشكل بود.

تئوري پردازان دريافتند كه نمونه اوليه تئوري وحدت بزرگ فاقد يك جزء بسيار مهم است، همان جزيي كه باعث ارائه تئوري وحدت جالب ديگري شد. ابرتقارن Supersymmetry  كه در اوائل دهه 1970 توسط تئوري پردازان ابداع شد، يك خاصيت رياضي است كه بين ذرات- مثل الكترون و پروتون _ كه سازنده هاي ماده هستند، با آنهايي كه انرژي را منتقل مي كنند _ همانند فوتون ها _ هماهنگي ايجاد مي كند.

تئوري پردازان دريافتند كه ابرتقارن تمام تفاوت هاي ظاهري بين اين ذرات زيراتمي را از ميان برداشته و وحدت بنيادين آنها را آشكار مي سازد. در عين حال دانشمندان دريافتند كه اين تئوري سرنخ ديگر و البته مهمتري درباره تئوري همه چيز ارائه مي دهد. اين سرنخ، دانشمندان را راهنمايي كرد تا چگونه بين ابر نيروي تئوري وحدت بزرگ با گرانش كه تنها نيروي باقي مانده طبيعت بود، وحدت برقرار كنند.در اين تئوري گرانش به صورت ذراتي كه گراويتون  Graviton  نام دارد و در بين اجسام ظاهر مي شود، تصوير شده است.

با اين همه، اميدبخش ترين موضوع ، ابرتقارن و يك چيز ديگر _ ابعاد اضافي _ است. اين همان ايده اي است كه نيم قرن پيش اينشتين نيز با آن مواجه شده بود. چيزي كه اين دانشمندان فاقد آن بودند، يك نكته بسيار سرنوشت ساز بود كه بتواند بدون ايجاد هيچ گونه مشكل رياضي حادي، بين گرانش و ساير نيروها وحدت ايجاد كند : ابرتار  Super String .

در سال 1984 جان شوارتز Schwarz    و مايكل گرين  Green  ، با اعلام اينكه مي توانند بدون مواجه شدن با مشكلات معمول، بين گرانش و ساير نيروها وحدت برقرار كنند، همكاران خود را مبهوت كردند.

تنها شرط آن بود كه از اين پس ذرات فقط به عنوان نقطه در نظر گرفته نشود، بلكه آنها را به صورت يك چيز بسيار كوچك كه ابرتار ناميده مي شوند، بشناسيم. اين اشياي شبه نخ كه بسيار كوچك تر از هسته هاي اتم هستند نيز بايد داراي خاصيت ابرتقارني (كه به همين دليل، ابرتار ناميده مي شوند) و ده بعدي باشند. اين ادعا بسيار حيرت انگيز بود و نظريه پردازان بسياري را تشويق كرد تا اطلاعات بيشتري در مورد ابرتارها جمع آوري كنند. اگرچه ممكن است فقط يك «تئوري همه چيز» وجود داشته باشد، اما نظريه پردازان حداقل پنج تئوري ابرتار ابداع كردند، هيچ ملاك دقيقي نداشتند كه از بين آنها دست به گزينش بزنند. به نظر مي رسيد كه ابرتارها فقط شبحي از يك تئوري كامل تر هستند.

در سال 1995 ادوارد ويتنWitten  ،  نشان داد كه تمام پنج تئوري ابرتار فقط توصيف تقريبي از يك ايده واحد و فراگير است كه وي آن را تئوري M ناميد. بسياري از تئوري پردازان بر اين عقيده اند كه M نشان دهنده  كلمه Mother، Mysterious يا حتي Magic است، اما واقعيت آن است كه بايد M را به عنوان «Membrane» در نظر بگيريم تا ارتباط آن با ابرتارها به بهترين وجهي آشكار شود. اكنون مي توان پنج تئوري ابرتار را به عنوان مرزهاي چند بعدي از غشاي يازده بعدي در نظر گرفت، كه در آن تمام ابعاد به جز چهار بعد، چنان كوچك شده است كه براي ما غيرقابل تشخيص است.

امروزه تئوري M بهترين نامزد براي آن چيزي است كه اينشتين سال ها در جست وجوي آن بود، شايد هم چيزي بهتر از آن.اين تئوري نه تنها توصيف منحصر به فرد و واحدي از الكترومغناطيس و گرانش ارائه مي دهد، بلكه علاوه بر آن ساير نيروهاي بنيادين طبيعت و تمام ذراتي كه اين نيروها بر آن اثرگذار هستند را نيز در برمي گيرد.

اين تئوري واقعا يك دستاورد حيرت انگيز محسوب مي شود. بسياري از بهترين نظريه پردازان جهان سرگرم كاوش در معدن بسيار غني رياضيات تئوري M هستند و به دنبال پاسخي براي بسياري از اسرار باقي مانده طبيعت مي گردند.

مخصوصا اين نكته كه چرا و چگونه تمام 11 بعد نظريه M به جز چهارتاي آن چنان كوچك شده است كه ديگر ديده نمي شود، نظر بسياري از دانشمندان را به خود جلب كرده است. آيا مي توان آنها را به طور تجربي شناسايي كرد؟

شايد در نهايت روزي اثبات شود كه تئوري M هم اين قابليت را ندارد كه پاسخگوي تمام اين پرسش ها باشد. اما اين تئوري حداقل مي تواند نگرشي بسيار عالي از وحدت بنيادي طبيعت و تمام اجزاي موجود در آن ارائه دهد.