مقدمه

همواره برای انسان این سئوال مطرح بوده که اجسام موجود در اطراف وی و هر آنچه که در این جهان مشاهده می شود از جه تشکیل شده اند و می اندیشیده که سنگ بنای اولیه جهان چیست؟  نخستین نظریه حاکی از آن بود که جهان از چهار عنصر آب، آتش، خاک و هوا ساخته شده است. همچنین این سئوال مطرح بود که آیا عناصر تشکیل دهنده جهان پیوسته هستند و به هر اندازه که بخواهیم می توانیم آنها را به اندازه های کوچکتر تقسیم کنیم یا نه؟ همین امر موجوجب پیدایش نظریه اتمی دموکریتوس شد که مدعی بود همه اجسام از جزء کوچکی به نام اتم تشکیل شده اند و اتمها قابل تجزیه نمی باشند
رچند نظریه اتمی ماده در طول تاریخ مورد شک و تردید بود، ولی در قرن نوزدهم شواهد تجربی اتمی بودن ماده را اثبات کرد و علاوه بر آن نشان داد که اتم نیز از ذرات دیگری که آنها را ذرات زیر اتمی می نامند، تشکیل شده است. الکترون با بار الکتریکی منفی نخستین ذره ای بود که کشف شد و متعاقب آن پروتون با بار الکتریکی مثبت و نوترون بدون بار الکتریکی کشف شدند. آزمایشهای بعدی نشان داد که تعداد زیاد دیگری ذرات زیر اتمی وجود دارد. بالا رفتن تعداد ذرات زیر اتمی نگرش انسان را به سنگ بنای اولیه جهان تغییر داد و سر انجام مجبور شد ذرات زیر اتمی را نیز جدول بندی کند. همراه با جدول بندی ذرات زیر اتمی مسئله کنش بین آنها نیز مطرح شد. مشاهدات تجربی نشان داد که نظریه های کوانتوم مکانیک و نسبیت قادر به توضیح کامل جهان نمی باشند و بتدریج نظریه های جدیدی مطرح شد که برخی از آنها که اهمیت بیشتری دارند، موضوع بحث این مقاله است
 
 
ذرات بنیادی و مدل استاندارد
 

شیمی را می توان با سه ذره بنیادی پروتون، نوترون و الکترون و نیروی الکترومغناطیس فهمید و مباحث مختلف آن را توضیح داد. فیزیک هسته ای را می توان با چهار ذره بنیادی پروتون، نوترون، الکترون و نوترینو-الکترون و نیروهای هسته ای قوی، هسته ای ضعیف و الکترومغناطیس فهمید و تشریح کرد. در عین حال باید توجه داشت که مکانیک کوانتوم نظریه ی ساده ای نیست، زیرا رفتار ذرات مانند رفتار اجسام بزرگ نیست. ما برای شناسایی رفتار ذرات در مکانیک کوانتوم، به یک بینش جدید نیاز داریم. برای شکل دادن به پایه بینش خود در مکانیک کوانتوم، باید به خصوصیات اتمها، ملکولها و سایر ذرات زیر اتمی توجه کنیم. این ذرات به سادگی و به سرعت از مکانی به مکان دیگر حرکت می کنند. این امر پایه اصل عدم قطعیت هایزنبرگ را تشکیل می دهد به طوریکه همواره رابطه زیر بین اندازه حرکت، مکان و ثابت پلانک بر قرار است

DX .DP > or =h

 
مدت زيادي اين طور تصور مي شد كه پروتونها و نو ترونها ذرات بنيادي هستند و بنابراين گمان مي رفت مثل الكترون ديگر قابل تقسيم نبوده و داراي يك ساختار داخلي نيستند. اما امروزه مي دانيم كه نوكلئونها يعنی پروتونها و نو ترونها خود از ذرات كوچكتري ساخته شده اند كه کوارک ناميده مي شوند
در دهه های اخیر فیزیکدانان یک مدل تحت عنوان مدل استاندارد ارائه کردند تا یک چوب بست نظری برای فهم ذرات بنیادی و نیروهای طبیعت فراهم  آورند. لذا مدل ستاندارد شامل دوازده ذره فرمیون با سپین نیمه درست که شش تای آن کوارک و شش تای دیگر لپتون  و چهار ذره بوزون با اسپین یک هستند شکل 1. و یک هگز بوزون با اسپین صفر است که هنوز مشاهده نشده است. بسیاری از فیزیکدانان اعتقاد دارند بزرگترین چالش فیزیک در قرن بیست و یکم به تحقیقات روی ذرات هگز مربوط می شود
 

 

 نتیجه ی منطقی دوگانگی موج - ذره این است که همه ی میدانهای کوانتومی دارای یک ذره ی بنیادی باشند که با میدان در آمیخته است. این ذره که با همه ی میدانها در آمیخته و موجب کسب جرم توسط سایر ذرات می شود، هگز بوزون

Higgs boson

نامیده می شود. کلمه هگز اولین بار در سال 1960 توسط پتر هگز وارد فیزیک شد. ایده اساسی چنین است که تمام ذراتی که با یکدیگر کنش دارند، کنش آنها توسط یک میدان اعمال می شود که توسط ذره هگز بوزون حمل می شوند. لذا جدول بوزونها را بصورت زیر تدوین کرده اند
 
 

 Name

Spin

Electric
charge

Mass

Observed?

Graviton

2

0

0

Not yet

Photon

1

0

0

Yes

Gluon

1

0

0

Indirectly

W+

1

+1

80 GeV

Yes

W-

1

-1

80 GeV

Yes

Z0

1

0

91 GeV

Yes

Higgs

0

0

> 78 GeV

Not yet

 

مهمترین ذره در این مدل، یک ذره ی فرضی موجود در همه ی میدانهای کوانتومی است که نشان می دهد سایر ذرات چگونه جرم به دست می آورند. این میدان، میدان هگز

Higgs field
خوانده می شود
 
 
چرا نظريه ريسمانها مطرح شد؟
 
در مدل استاندارد به ذرات به عنوان نقاطی توجه می شد كه در فضا حركت می كنند و بوسيله ترسيم يك خط رديابی می شود كه جهان حط می نامند. برای بررسی كنش آنها كه در طبيعت مشاهده می شود، درجات آزادی آنها فقط شامل مكان و سرعت، همچنين جرم، بار الكتريكی و رنگ  كه  پيوند بار الكتريكی و كنش قوی است يا اسپين مورد توجه است

مدل استاندارد كالبد نظريه ميدان كوانتومی را طراحی می كند كه ابزاری به دست می دهد تا نظريه ها را طوری بسازيم كه شامل مكانيك كوانتوم و نسبيت خاص نيز باشند. با اين ابزارها، نظريه ها طوری طرح ريزی می شوند كه  موفقيت بزرگی برای توضيح چهار كنش (نيروی)  شناخته شده در طبيعت را داشته باشند. به علاوه يك موفقيت بزرگ برای يكسان سازی بين نيروی های الكترومغناطيس و هسته ای ضعيف به دست آمده كه الكتروويك ناميده می شود و نطرها را به سوی كنش هسته ای قوی سوق می دهد

اما متاسفانه چهارمين كنش (نيرو)، يعنی گرانش كه به طور زيبايی در نسبيت عام اينشتين تشريح شده در اين طرح ديده نمی شود. و همه ی تلاشها برای به دست آوردن نسبيت عام از نظريه ميدان كوانتومی بيهوده بوده است

به عنوان مثال نيروی بين دو گراويتون (ذراتی كه نيزوی گرانش را حمل می كنند)، بی نهايت می شود و ما نمی دانيم چگونه اين بی نهايت را مي توان توجيه كرد  

در نظريه ريسمانها تعداد بيشماری انواع ذرات با يك سنگ بنای اساسی يعنی "ريسمان" جايگزين می شود
اين ريسمانها می توانند شبيه حلقه به يكديگر بسته شوند يا نظير مو باز شوند. همچنانكه ريسمان در زمان حركت می كند، يك لوله يا صفحه را ترسيم می كند و با توجه به شرايط باز يا بسته می شود
بعلاوه ريسمان آزاد است كه نوسان كند و نوسانات مختلف ريسمانها، ذرات مختلف را به نمايش می گذارد. از اين رو جرم های مختلف يا اسپين مختلف را ترسيم می كند

يك طريق نوسان موجب می شود كه ريسمان به صورت الكترون جلوه گر شود و نوع ديگر به صورت فوتون ظاهر می شود. در اينجا حتی يك جلوه ی آن توضيح دهنده گراويتون است. گراويتون ذره ای است كه نيروی گرانش را حمل می كند و اين دليل بسيار مهمی است كه چرا نظريه ريسمانها تا اين اندازه مورد توجه قرار می گيرد

نكته اينجا است كه ما می توانيم كنش دو گراويتون را در نظريه ريسمانها احساس كنيم و اين چيزی است كه نظريه ميدان گرانشی توان آن را ندارد. در اينجا بی نهايتی وجود ندارد! بنابراين اين نخستين موفقيت نظريه ريسمان بود كه شامل گرانش كوانتومی می شد كه شبيه نسبيت عام در فاصله های بزرگ می شود

علاوه بر آن نظريه ريسمان ضرورتاً دارای چنان درجه آزادی است كه بتواند ساير كنش ها را به خوبی توضيح دهد

از اين رو اميد بخش است كه نظريه ريسمان قادر است چهار نيروی شناخته شده را يكسان سازی كند و به صورتی ساده در يك نظريه تحت عنوان " يك نظريه برای همه چيز" مطرح كند .