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.
از ريسمان تا ابر ريسمان
ذرات شناخته شده در طبيعت به
صورت زير دسته بندی می شوند:
ذراتی كه دارای اسپين درست
هستند كه بوزون ناميده می شوند
و ذراتی كه دارای اسپين
نادرست هستند كه فرميون ناميده می شوند
دسته اول نيروها را حمل می
كنند، به عنوان مثال فوتون نيروی الكترومغناطيس را حمل می
كند، گلوئون نيروی قوی هسته ای را حمل می كند و
گراويتون نيروی گرانش را حمل می كند.
در نهايت ماده نظير الكترون
از كوارك ساخته شده اند.
نظريه اصلی ريسمان تنها ذرات
بوزون را توضيح می داد، از اين نظر آن را نظريه بوزونيك
ريسمان می گويند.
اين نظريه فرميون ها را
توضيح نمی داد. بنابراین كوارك و الكترون را شامل نمی شد.
با مطرح كردن ابر
تقارن برای نظريه بوزونيك ريسمان، ما می توانيم يك نظريه
جديد به دست آوریم كه هر دو نيرو و ماده را توضيح دهند كه
جهان از آنها ساخته شده است و اين نظريه ابر ريسمان است.
در اينجا سه نوع نظريه ابر
ريسمان وجود دارد كه حس می شود و نشان دادن آنها بدون رياضيات
ناسازگارند.
در دو تا از آنها شيئی اساسی يك
ريسمان بسته است، در حاليكه در سومی ريسمان باز سنگ بنای آن
است.
علاوه بر آن با بهترين امتزاج
خصوصيات نظريه بوزونيك ريسمان و ابر ريسمان، ما می توانيم دو
نظريه ريسمان ديگر بيافرينيم. در
هر صورت اين
تنوع در نظريه ريسمان يك آشفتگی است. اگر ما برای يك نظريه
برای همه چيز تلاش كنيم، پنج تا از انها را خواهيم داشت كه قوی
ترين آنها ام-تئوری خواهد بود.
ابعاد اضافی
بزرگترين مسئله قابل استناد در
نظريه ريسمان اين است كه فضا- زمان ده بعدی است. در نگاه اول
احتمالاً چنين به نظر می رسد كه اين دليلی است برای كنار
گذاشتن كل نظريه كه مشاهدات ما نشان می دهد تنها سه بعد برای
فضا و يك بعد برای زمان داريم. در هر صورت اگر ما فرض كنيم كه
شش بعد ديگر مك˜م به يكديگر يیچيده شده، آنگاه ديگر ما از هستی
دور نشده ايم. عقيده چنين است كه درجات آزادی بار الكتريكی يك
الكترون شامل ابعاد اضافی بيشتری خواهد بود.
اصل اينكه فشردگی ابعاد ممكن است
ما را به يك نظريه يكسان سازی رهنمود شود، جديد نيست و به دهه
يكهزارو نهصد و بيست و به نظريه های كالوتسا و كلين بر می
گردد، از اين رو نظريه ريسمان نهايت نظريه كولتسا-كلين است.