نظریه F؛ پیش‌بینی جهان‌هایی با ویژگی‌های متفاوت
بعضی از پرسش‌های دوران کودکی، سرنوشت افراد را رقم می‌زنند. چرایی وجود ۳ بعد در جهان، یکی از همین سوالات است که پروفسور کامران وفا، استاد دانشگاه هاروارد و برگزیده جایزه مصطفی(ص) در سال 2021 را به ارائه نظریه ۱۲ بعدی "F" رسانده است. این نظریه شاخه‌ای از نظریه ریسمان بوده و یکی از مهم‌ترین چارچوب‌ها برای درک آن به شمار می‌رود.
به گزارش ستاد ارتباطات و ترویج بنیاد مصطفی (ص)، نظریه ریسمان، یکی از نظریه‌های جایگزین برای توصیف ذرات بنیادی است که ماهیتی ریسمانی (به جای نقطه‌ای) برای ذرات در نظر می‌گیرد. برای درک بهتر این نظریه، در نظر بگیرید که در ابتدا و در مدل استاندارد ذرات بنیادی، هر ذره را می‌توانیم با یک تیله توصیف کنیم. ولی در نظریه ریسمان، به جای تیله، نوارهایی لاستیکی و در حال نوسان خواهیم داشت.
نظریه ریسمان به لحاظ نظری بسیار زیبا و شگفت‌انگیز است، اما دلایل مهمی وجود دارد که هنوز به مدل اصلی و پذیرفته‌شده برای توصیف ذرات تبدیل نشده است. یکی از این دلایل، ساختار ریاضی این نظریه و وجود تعداد ابعاد بالا در آن است. مشکلی که نظریه F برای حل کردن آن متولد شد.
تاریخچه نظریه F
در اواخر دهه‌ی ۱۹۸۰ و اوایل دهه‌ی ۱۹۹۰ میلادی، فیزیکدان‌ها به مفهومی به نام «دوگانگی» در نظریه ریسمان دست یافتند. دوگانگی، نوعی تقارن است که نشان می‌دهد چگونه دو نظریه به ظاهر کاملا متفاوت فیزیکی می‌توانند فیزیک یک پدیده را در حالت‌های مختلف توصیف کنند. به عنوان یک مثال خوب از دوگانگی می‌توانیم دوگانگی موج-ذره را برای نور (یا هر ذره بنیادی دیگری) در نظر بگیریم: رفتار نور در برخی پدیده‌ها رفتار موجی است و توسط فیزیک امواج توصیف می‌شود؛ در حالی که در پدیده‌های دیگر رفتار ذره‌ای دارد و با فیزیک کوانتوم توصیف می‌شود.
وجود دوگانگی در نظریه ریسمان به فیزیکدان‌ها نشان داد که برخی از نسخه‌های متفاوت نظریه ریسمان، در واقع دو روی یک سکه هستند و فیزیک یکسانی را توصیف می‌کنند. یکی از این دوگانگی‌های مهم در نظریه ریسمان، دوگانگی S (S-Duality) بود که دو نیروی هسته‌ای قوی و ضعیف را در خانواده‌ای از نظریه ریسمان به نام تیپ IIB بهم مرتبط می‌کند. اهمیت دوگانگی S در این است که می‌تواند نظریه‌ای را که در آن محاسبات دشوار است به نظریه‌ای که محاسبات ساده‌تری دارد، مرتبط کند. وجود دوگانگی S، خبر از حضور تقارنی عمیق و مهم در دل نظریه ریسمان را می‌داد که البته در ابتدا قابل توضیح نبود.
در اینجا بود که نظریه F متولد شد. کامران وفا در سال ۱۹۹۶، نظریه F را ارائه داد تا وجود این تقارن را در نظریه ریسمان توضیح بدهد. به عقیده او، وجود ۱۰ بعد برای توضیح این تقارن کافی نبود، پس دو بعد دیگر نیز به نظریه‌اش اضافه و نسخه‌ای ۱۲ بعدی از نظریه‌ی ریسمان را مطرح کرد. این ۲ بعد جدید برخلاف ابعادی که ما می‌شناسیم، به طول، عرض، ارتفاع، عمق و ... ارتباطی نداشتند بلکه قدرت نیروهای مختلف در نظریه ریسمان را توضیح می‌دادند.
نظریه F دقیقا چیست و چرا مهم است؟
حرف F در ابتدای عبارت F-Theory به فیبرهای بیضی‌گون یا elliptic fibres اشاره دارد. برای درک ماهیت این فیبرها، یک فرش را در نظر بگیرید که در اینجا نقش فضا را برای ما ایفا می‌کند. فیبرهای بیضی‌گون، شبیه به اجزایی هستند که الگوی فرش را شکل می‌دهند و به آن می‌گویند باید چه طرحی را به نمایش بگذارد. به عبارتی این فیبرها ویژگی‌های هندسی فضا و البته ابعاد اضافه اثرگذار هستند، پس استفاده از آن‌ها در نظریه F به توجیه و توضیح وجود ابعاد اضافه کمک می‌کند. استفاده از هندسه در نظریه F باعث می‌شود تا بتوانیم مسائل نظریه ریسمان را به شکل نوینی حل کنیم.
به عبارتی، نظریه F با ساختار ریاضی‌اش به ما کمک می‌کند تا خانواده IIB نظریه ریسمان را بهتر درک کنیم و البته با استفاده از این نظریه، وجود دوگانگی S در این خانواده از نظریه ریسمان به شکل طبیعی توجیه می‌شود.
در نهایت، استفاده از نظریه F یکی از چارچوب‌هایی است که می‌توان از آن برای ساختن یک نظریه وحدت بزرگ یا به اختصار GUT (Grand Unification Theory) استفاده کرد. نظریه‌های وحدت بزرگ چارچوب‌هایی نظری هستند که می‌توانند سه نیروی الکترومغناطیس، هسته‌ای قوی و هسته‌ای ضعیف را در قالب یک نیروی واحد متحد کنند. یکی از دلایلی که نظریه F در این زمینه به خوبی ظاهر می‌شود، وجود ابعاد اضافه آن است. این ابعاد اضافه و نوع فشرده شدن آن‌ها در نظریه F، فرایندی به نام «شکست تقارن» را توصیف می‌کنند که در اثر آن، نیروی واحد به سه نیرویی که امروزه به طور مجزا می‌شناسیم، شکافته می‌شود.
مشکلات نظریه F چیست؟
علاوه بر مسائل معمول نظریه ریسمان (وجود ابعاد اضافه و سطح بالای انرژی مورد نیاز برای مشاهده شدن)، نظریه F یک مسئله‌ی مهم دیگر نیز دارد: از آنجایی که در این نظریه می‌توان شکل‌های متنوعی را برای ابعاد اضافه در نظر گرفت، نظریه F به ازای هر شکل از ابعاد اضافه، جهانی با ویژگی‌های متفاوت را پیش‌بینی می‌کند. با توجه به کمبود شواهد تجربی و پیچیدگی ریاضی این نظریه، فهمیدن این که کدام جهان پیش‌بینی شده در نظریه F دقیقا مطابق با جهان ماست، کاری دشوار است.
جایگاه امروزی نظریه F چیست؟
نظریه F همچنان و بعد از حدود سی سال، یکی از مهم‌ترین چارچوب‌ها برای درک نظریه ریسمان محسوب می‌شود، چرا که امکان بررسی نظریه ریسمان نوع IIB را با استفاده از ۱۲ بعد به ما می‌دهد و امکان بررسی دوگانگی S و نظریه وحدت نیروها را در چارچوب ریسمان‌ها فراهم می‌کند. این نظریه با وجود پیچیدگی‌ها و مسائلی که دارد همچنان جایگاه مهمی برای مطالعه و درک نظریه ریسمان دارد.
