ما هي نظرية الأوتار وكيف يتم تعريفها؟

إيفلين مايتي مارين
مهندس صناعي ، ماجستير في الفيزياء ، و EdD

نظرية الأوتار هي طريقة فيزيائية تحاول التوفيق بين نظرية النسبية العامة و ميكانيكا الكم في نموذج واحد يحتوي ويصف جميع القوى الأساسية لـ طبيعة. في هذه النظرية ، لا تعتبر الجسيمات الأولية جسيمات نقطية ، كما يتضح من النموذج القياسي لـ الفيزياء ، بل تمثل "أوتارًا" أو "خيوطًا" ذات أبعاد متناهية الصغر تهتز في وقت فراغ.

يعتمد اسم النظرية على افتراض أن الجسيمات الأساسية هي كائنات أحادية البعد تشبه الأوتار ، والتي تتأرجح عند ترددات مختلفة ، والتي تحدد كتلة ونوع الجسيم يمثل.

نشأت هذه النظرية في أواخر الستينيات من القرن الماضي وتم تطويرها من قبل العديد من الفيزيائيين ، بما في ذلك غابرييل فينيزيانو ويويشيرو نامبو وليونارد سسكيند وجون هـ. شوارتز ومايكل جرين ، من بين آخرين. ومع ذلك ، بدأ جويل شيرك وجون هنري شوارتز في إصدار المنشورات الرئيسية في حوالي عام 1974. كان العلماء السابقون يبحثون عن طريقة للتوفيق بين نظرية النسبية العامة وميكانيكا الكم ، و توصلت إلى فكرة أن الجسيمات الأولية كانت في الواقع أوتارًا تهتز في الزمكان بدلاً من الجسيمات منضبط. على مدى العقود التالية ، كانت نظرية الأوتار موضوع الكثير من الجدل والنقاش في المجتمع العلمي.

أساس نظرية الأوتار هو فكرة أن كل المادة والقوى الأساسية في الكون هي نتيجة اهتزاز هذه الأوتار.

صفات

تتضمن بعض خصائص ومقدمات نظرية الأوتار ما يلي:

• الجسيمات الأولية هي في الواقع أوتار أحادية البعد تهتز في الزمكان.

• تحدد خصائص هذه الأوتار (مثل طولها وشدها) خصائص الجسيمات التي تولدها.

• يمكن أن تفسر أنماط التذبذب المختلفة لهذه الأوتار وجود جميع الجسيمات الأولية المعروفة ، بما في ذلك البوزونات والفرميونات.

• أنها تنطوي على أبعاد متعددة خارج المكانية ، بالإضافة إلى الأبعاد الأربعة التي نختبرها في واقعنا اليومي.

هذه النظرية ، أو التي يطلق عليها بعض العلماء ، الفرضية ، تستند إلى نماذج رياضية معقدة للغاية ومشتقة من ميكانيكا الكم والنسبية العامة والهندسة التفاضلية و الطوبولوجيا.

من المهم ملاحظة أن هذه المفاهيم المرتبطة بالنظرية تظل موضوعًا للبحث ، وبالتالي ، من الممكن أن يتم تعديل النماذج والمعادلات الرياضية المستخدمة مع إجراء الاكتشافات الجديدة وإجراء اكتشافات جديدة بحث.

لا تقدم نظرية الأوتار شرحًا كاملاً لأصل الكون ، لأنها تركز أكثر على الطبيعة الأساسية للواقع والجسيمات الأولية. ومع ذلك ، فهو متوافق إلى حد ما مع نظرية الانفجار العظيم ، في شرح ظواهر مثل التضخم الكوني ، والتي هي فترة توسع متسارع حدثت في اللحظات الأولى للكون ، وتشكل هياكل واسعة النطاق حجم.

التحديات والنقد

كانت نظرية الأوتار موضوعًا للعديد من النقاد والمنتقدين على مر السنين ، وتتعلق بعض الحجج بالجوانب التالية:

• عدم وجود أدلة تجريبية: على الرغم من عقود من البحث ، لا تزال نظرية الأوتار تفتقر إلى أدلة تجريبية كافية لتأكيد صحتها.

• التعقيد الرياضي: هذه النظرية معقدة للغاية من وجهة نظر رياضية ، مما يجعل من الصعب على معظم الناس فهمها.

• عدم القابلية للقياس: غير قابل للقياس مع الفيزياء القياسية ، مما يعني أنه لا يمكن إجراء التجارب للمقارنة وإقامة العلاقات بين النظريتين.

• الأكوان المتعددة: أساسها يعني وجود أكوان متعددة ويصعب على بعض الناس قبول هذه الفكرة.

• صعوبة في التنبؤ: نظرًا لتعقيدها ، يصعب استخدام نظرية الأوتار لعمل تنبؤات دقيقة حول الظواهر الفيزيائية التي يمكن ملاحظتها.

هذه ليست سوى بعض الانتقادات والعيوب التي تم توجيهها ضد نظرية الأوتار. على الرغم من هذه التحديات ، يستمر البحث في هذا المجال ، ويعتقد العديد من العلماء أنه يمكن أن يكون مفتاح توحيد الفيزياء.

مجالات التطبيق

يتم تطبيق نظرية الأوتار في مجالات مثل فيزياء الطاقة العالية وعلم الكونيات والفيزياء النظرية. كما أن لها آثارًا على فيزياء الجسيمات والجاذبية الكمية. علاوة على ذلك ، فقد تم استخدامه لدراسة فيزياء الثقوب السوداء وانتروبياها.

من ناحية أخرى ، يمكن لنظرية الأوتار أن تحل بعض الأسئلة الأساسية في الفيزياء ، مثل التوفيق بين نظرية النسبية العامة وميكانيكا الكم. تدعم فلسفته وجود أبعاد متعددة وأكوان متوازية ، والتي أصبحت واحدة من أكثر مجالات البحث نشاطًا في علم الكونيات النظري.

من ناحية أخرى ، أدت الفرضية التي يقوم عليها هذا النموذج أيضًا إلى حدوث عدد كبير من التطورات في الفيزياء. ما وراء علم الكونيات ، كما هو الحال في نظرية المادة المكثفة والمعلومات الكمومية ، من بين أمور أخرى مجالات.

علم الكونيات هو أحد المجالات التي شاركت فيها نظرية الأوتار بشكل كبير في العقود الأخيرة.