پايه های منطقی نظريه سی.پی.اچ

مقدمه
جهان بيني علمي در فيزيک نظري با كارهاي گاليله آغاز شد. هرچند كه تلاشهاي گاليله زيربناي فيزيك کلاسيک را تشكيل داد، اما اين تلاشها ريشه در نگرشهاي جديد به پديده هاي فيزيکي داشت كه مهمترين آنها را مي توان در آثار برونو و کپلر مشاهده كرد. برونو به طرز ماهرانه اي در آثار خود تشريح کرد كه همه ي ستارگان جهان نظير خورشيد هستند. کپلر با ارائه سه قانون خود نشان داد كه حرکت سيارات قانونمند است و يک نظم منطقي در حرکت، دوره تناوب و مسير آنها وجود دارد.

گاليله آزمايشهاي زيادي انجام داد تا بتواند حرکت اجسام را در يك سري قوانين کلي خلاصه کند. در اين ميان آزمايش سطح شيبدار گاليله از همه مشهورتر است. اما نمي توان تاثير نگرش گاليله را در پيشرفت علم به اين آزمايشها خلاصه کرد. در حقيقت گاليله نوعي نگرش منطقي به پديده هاي فيزيکي داشت كه تا آن زمان بي سابقه بود. اين نگرش زيربناي روش استقرايي را در فيزيک تشكيل داد و بتدريج به ساير علوم گسترش يافت.

هرچند آزمايشهاي گاليله از نظر کمي و كيفي با آزمايشهاي امروزي قابل مقايسه نيست، اما آزمايشهاي بسيار پيچيده و پيشرفته امروزي نيز از همان قاعده ي نگرش استقرايي گاليله پيروي مي کنند. به اين ترتيب گاليله زير ساخت فيزيك را ايجاد کرد و نحوه ي

برخورد علمي با طبيعت را نشان داد. اما نتيجه ي اين تلاشها به صورت تشريحي بيان مي شد.
سالها بعد نيوتن نتايج به دست آمده توسط گاليله را فرمول بندي و در قالب يك سري معادلات رياضي ارائه کرد و ساختار فيزيک كلاسيك را مدون ساخت. قانون جهاني گرانش نيوتن دست آورد بزرگي بود. نيوتن براي توجيه پديده هاي فيزيکي ” نگرش ديفرانسيلي” را جايگزين روش انتگرالي كرد. در روش انتگرالي همواره نتايج مورد نظر است. در حاليكه در نگرش ديفرانسيلي تحليل روند رسيدن به نتايج مورد بحث قرار مي گيرد و جواب هاي خاص را مي توان از آن به دست آورد. به عنوان مثال قوانين کپلر را با قانون جهاني گرانش نيوتن مقايسه کنيد. در قوانين کپلر نمي توان دوره ي گردش يک سياره را از روي دوره ي گردش سياره ي ديگر استخراج کرد. علاوه بر آن هر سه قانون کپلر مستقل از هم هستند. در حاليكه در قانون نيوتن مي توان دوره گردش همه ي سيارات به دور خورشيد را به دست آورد.
بنابراين مي توان گفت گاليله روش استقرايي را به وجود آورد و نيوتن روش ديفرانسيلي را ابداع کرد. لذا تاثير تلاشهاي گاليله و نيوتن در پيشرفت علوم ممتاز و غير قابل انكار و در عين حال بي نظير است.
مشكلات قوانين نيوتن
هنگاميكه نيوتن قوانين حركت و قانون جهاني جاذبه را ارائه کرد، اين قوانين از نظر منطقي با اشكالات جدي همراه بود. قانون دوم نيوتن بصورت
F=ma
تا سرعتهاي نامتناهي را پيشگويي مي کرد که با تجربه سازگار نيست. و قانون سوم وي بيان کننده ي کنش از راه دور يا همزماني عمل و عکس العمل است که اين نيز با ابهام و اشکات خود روبرو بود.
يعني اثر نيروي جاذبه با سرعت نامتناهي منتقل مي شد. تاثير از راه دور همواره مورد انتقاد قرار داشت.
اما مهمترين مشكل قوانين نيوتن در قانون جهاني گرانش وي بود و خود نيوتن نيز متوجه آن شده بود.
نيوتن دريافت كه بر اثر قانون جاذبه او، ستارگان بايد يكديگر را جذب كنند و بنابراين اصلاً به نظر نمي رسد كه ساكن باشند. نيوتن در سال ۱۶۹۲ طي نامه اي به ريچارد بنتلي نوشت “كه اگر تعداد ستارگان جهان بينهايت نباشد، و اين ستارگان در ناحيه اي از فضا پراكنده باشنبش يكسان پراكنده باشند، نقطه مركزي در كار نخواهد بود تا همه بسوي آن كشيده شوند و بنابراين جهان در هم نخواهد ريخت.”
اين برداشت نيز با يک اشكال اساسي مواجه شد. بنظر سيليجر طبق نظريه نيوتن تعداد خطوط نيرو كه از بينهايت آمده و به يک جسم مي رسد با جرم آن جسم متناسب است. حال اگر جهان نامتناهي باشد و همه ي اجسام با جسم مزبور در كنش متقابل باشند، شدت جاذبه وارد بر آن بينهايت خواهد شد.
مشكل بعدي قانون جاذبه نيوتن اين است كه طبق اين قانون يک جسم به طور نامحدود مي تواند ساير اجسام را جذب کرده و رشد کند، يعني جرم يک جسم مي تواند تا بينهايت افزايش يابد. اين نيز با تجربه تطبيق نمي كند، زيرا وجود جسمي با جرم بينهايت مشاهده نشده است.
مشكل بعدي قوانين نيوتن در مورد دستگاه مرجع مطلق بود. همچنان كه مي دانيم حركت يک جسم نسبي است، وقتي سخن از جسم در حال حركت است، نخست بايد ديد نسبت به چه جسمي يا در واقع در کدام چارچوب در حركت است. دستگاه هاي مقايسه اي در فيزيک داراي اهميت بسياري هستند. قوانين نيوتن نسبت به دستگاه مطلق مطرح شده بود. يعني در جهان يک چارچوب مرجع مطلق وجود داشت که حركت همه اجسام نسبت به آن قابل سنجش بود. در واقع همه ي اجسام در اين چارچوب مطلق كه آن را “اتر” مي ناميدند در حركت بودند. يعني ناظر مي توانست از حركت نسبي دو جسم صحبت كند يا مي توانست حركت مطلق آن را مورد توجه قرار دهد.
براين اساس مايكلسون تصميم داشت سرعت زمين را نسبت به دستگاه مطلق “اتر” به دست آورد. مايكلسون يک دستگاه تداخل سنج اختراع کرد و در سال ۱۸۸۰ تلاش کرد طي يک آزمايش سرعت مطلق زمين را نسبت به دستگاه مطلق “اتر” به دست آورد. نتيجه آزمايش منفي بود. (براي بحث كامل در اين مورد به كتابهاي فيزيك بنيادي مراجعه كنيد.) با آنكه آزمايش بارها و بارها تكرار شد، اما نتيجه منفي بود. هرچند مايكلسون از اين آزمايش نتيجه ي مورد نظرش را به دست نياورد، اما به خاطر اختراع دستگاه تداخل سنج خود، بعدها برنده جايزه نوبل شد.

نسبيت خاص
براي توجيه علت شكست آزمايش مايكلسون نظريه هاي بسياري ارائه شد تا سرانجام اينشتين در سال ۱۹۰۵ نسبيت خاص را مطرح كرد. نسبيت خاص شامل دو اصل زير است:
۱- قوانين فيزيک در تمام دستگاه هاي لخت يكسان است و هيچ دستگاه مرجع مطلقي در جهان وجود ندارد.
۲- سرعت نور در فضاي تهي و در تمام دستگاه هاي لخت ثابت است.
در نسبيت سرعت نور، حد سرعت ها است، يعني هيچ جسمي نمي تواند با سرعت نور حرکت کند يا به آن برسد.
نتيجه اين بود كه قانون دوم نيوتن بايد تصحيح مي شد. طبق نسبيت جرم جسم تابع سرعت آن است، يعني با افزايش سرعت، جرم نيز افزايش مي يابد و هر جسمي كه بخواهد با سرعت نور حركت كند بايد داراي جرم بينهايت باشد. لذا قانون دوم نيوتن بصورت زير تصحيح شد.

بنابر اين جرم تابع سرعت است و با افزايش سرعت، جرم نيز افزايش مي يابد. هنگاميكه سرعت جسم به سمت سرعت نور ميل كند، جرم به سمت بينهايت ميل خواهد كرد و عملاً هيچ نيرويي نمي تواند به آن شتاب دهد.
از طرف ديگر طبق نسبيت جرم و انرژي هم ارز هستند، يعني جرم جسم را مي توان بصورت محتواي انرژي آن مورد ارزيابي قرار داد.
E=mc2
m=E/c2
بنابراين انرژي داراي جرم است. اما در نسبيت نور از کوانتومهاي انرژي تشكيل مي شود كه آن را فوتون مي نامند و با سرعت نور حركت مي کند. اين سئوال مطرح شد كه اگر انرژي داراي جرم است و فوتون نيز حامل انرژي است كه با سرعت نور حركت مي كند، پس چرا جرم آن بينهايت نيست؟
پاسخ نسبيت به اين سئوال اين بود كه جرم حالت سكون فوتون صفر است. در حاليكه رابطه ي جرم نسبيتي در مورد جرم حالت سكون غير صفر بر قرار است. لذا در نسبيتبا دو نوع ذرات سروكار داريم، ذراتي كه داراي جرم حالت سكون غير صفر هستند نظير الكترون و ذراتي كه داراي جرم حالت سكون صفر هستند مانند فوتون. در نسبيت تنها ذراتي مي توانند با سرعت نور حركت کنند كه جرم حالت سكون آنها صفر باشد.
مشكل نسبيت خاص در اين است كه جرم نسبيتي آن (جرم بينهايت) مانند سرعت بينهايت در مكانيك كلاسيك با تجربه تطبيق نمي كند. يعني هيچ نمونه ي تجربي كه با جرم بينهايت نسبيت تطبيق كند مشاهده نشده است.

علاوه بر آن در نسبيت و حتي در مكانيك كوانتوم توضيحي وجود ندارد كه نحوه ي توليد فوتون را با سرعت نور توضيح بدهد. و چرا فوتون در حالت سكون يافت نمي شود. آيا فوتون از ذرات ديگري تشكيل شده است؟ اگر جواب منفي است اين سئوال مطرح مي شود كه فوتون هاي مختلف با يکديگر چه اختلافي دارند؟ در حاليكه همه ي فوتون ها با انرژي متفاوت با سرعت نور حرکت مي كنند. آزمايش نشان داده است كه فوتون در برخورد با ساير ذرات قسمتي از انرژي خود را از دست مي دهد. حال اين سئوال مطرح مي شود كه فرض كنيم فوتون شامل ذرات ديگري نيست، اين را بايد توضيح داد وقتي قسمتي از آن جدا مي شود و باز هم داراي همان خواص اوليه است ولي با انرژي کمتر؟ يعني فوتون قابل تقسيم است، هر ذره ي قابل تقسيمي بايد شامل زير ذره باشد.
واقعيت اين است كه فوتون در شرايط نور توليد مي شود و اجزاي تشكيل دهنده آن نيز بايستي با همان سرعت نور حرکت کنند و حالت سكون فوتون يعني تجزيه ي آن به اجزاي تشكيل دهنده اش.
از طرفي مي دانيم جرم و انرژي هم ارز هستند، آيا اين منطقي است كه مي توان سرعت جرم را تغيير داد اما سرعت انرژي ثابت است؟
نسبيت عام:
نسبيت خاص داراي يك محدوديت اساسي بود. اين محدوديت ناشي از آن بود كه رويدادهاي فيزيکي را در دستگاه هاي لخت مورد بررسي قرار مي داد، در حاليكه در جهان واقعي دستگاه ها شتاب دار هستند. هرچند مي توان در بر رسي برخي رويداد ها به دستگاه هاي لخت بسنده كرد، اما اين دستگاه ها براي بررسي تمام رويدادها ناتوان هستند.
اينشتين در سال ۱۹۱۵ نسبيت عام را ارائه کرد و نسبيت خاص به عنوان حالت خاصي از نسبيت عام در آمد.
نسبيت عام بر اساس اصل هم ارزي تدوين شد.
اصل هم ارزي:
قوانين فيزيک در يک ميدان جاذبه يكنواخت و در يک دستگاه كه با شتاب ثابت حركت مي کند، يكسان هستند.
به عنوان مثال فرض کنيم يک دستگاه مقايسه اي با شتاب ثابت در حركت است. مشاهدات در اين دستگاه نظير مشاهدات در يک ميدان گرانشي يكنواخت است در صورتي كه شدت ميدان گرانشي برابر شتاب دستگاه باشد، يعني a=g باشد، در اين صورت مشاهدات يكسان خواهد بود.
مهمترين دستاورد نسبيت عام توجيه مدار عطارد بود. بررسي هاي نجومي نشان داده بود كه نقطه حضيض عطارد جابه جا مي شود. بيش ار يكصد سال بود كه فيزيكدانان مت

وجه ان شده بودند، اما نمي توانستند با قوانين نيوتن توجيه كنند. اما نسبيت عام توانست آن را توجيه كند.
بنا بر نسبيت، گرانش اثر هندسي جرم بر فضاي اطراف خود است. كه فضا- زمان ناميده مي شود. يعني جرم فضاي اطراف خود را خميده مي كند و مسير نور در اطراف آن خط مستقيم نيست، بلكه منحني است.
در سال ۱۹۱۹ انحناي فضا را هنگام کسوف کامل خورشيد با نوري که از طرف ستاره ي مورد نظري به سوي زمين در حرکت بود و از کنار خورشيد مي گذشت مورد تحقيق قرار دادند که با پيشگويي نسبيت تطبيق مي کرد. اين موفقيت بسيار بزرگي براي نسبيت بود. از آن زمان به بعد توجه به ساختار هندسي و خواص توپولوژيک فضا بررسي واقعيت هاي فيزيکي را به حاشيه راند. مضافاً اينکه گرانش را از فهرست نيروهاي اساسي طبيعت در فيزيک نظري حذف کرد.

مشکلات اساسي نسبيت را مي توان به صورت زير فهرست کرد:
۱- مشکل نسبيت با مکانيک کوانتوم- مکانيک کوانتوم ساختار ريز و کوانتومي کميت ها و واکنش متقابل آنها را مورد بررسي قرار مي دهد. به عبارت ديگر نگرش مکانيک کوانتوم بر مبناي کوانتومي شکل گرفته است. در اين زمينه تا جايي پيش رفته که حتي اندازه حرکت و برخي ديگر از کميتها را کوانتومي معرفي مي کند. اين نتايج بر مبناي يکسري شواهد تجربي مطرح شده و قابل پذيرش است. علاوه بر آن تلاشهاي زيادي انجام مي شود پديده هاي بزرگ جهان را با قوانين شناخته شده در مکانيک کوانتوم توجيه کنند. حال به نسبيت توجه کنيد که فضا-زمان را پيوسته در نظر مي گيرد. بنابراين نسبيت با مکانيک کوانتوم ناسازگار است. تلاشهاي زيادي انجام شده تا به طريقي يک هماهنگي منطقي و قابل قبول بين نسبيت و مکانيک کوانتوم ايحاد شود. در اين مورد کارهاي ديراک شايان توجه است که مکانيک کوانتوم نسبيتي را پايه گذاري کرد و آن را توسعه داد. اما در مورد نسبيت عام موفقيت چنداني نصيب فيزيکدانان نشده است.
۲- پيچيدگي و عدم وجود تفاهم در نسبيت- پيچيدگي نسبيت موجب شده که تفاهم منطقي بين فيزيکدانان در مورد نتايج و پيشگويي هاي نسبيت وجود نداشته باشد. به عبارت ديگر نسبيت شديداً قابل تفسير است. اين تفاسيرگاهي چنان متناقض هستند به عنوان مثال: اينشتين از سال ۱۹۱۷ شروع به تدوين يک نظريه قابل تعميم به عالم کرد. وي با مشکلات حل نشدني رياضي برخورد کرد. به همين دليل در معادلات گرانش عبارت مشهور ” پارامتر عالم ” را وارد کرد. ملاحظات وي در اين موضوع بر دو فرضيه مبتني بود.
الف – ماده داراي چگالي متوسطي در فضاست که در همه جا ثابت و مخالف صفر است.
ب- بزرگي ” شعاع ” فضا به زمان بستگي ندارد.

در سال ۱۹۲۲ فريدمان نشان داد که اگر از فرضيه دوم چشم پوشي شود، مي توان فرضيه اول را حفظ کرد بي آنکه در معادلات به پارامتر عالم نيازي باشد. فريدمان بر اين اساس يک معادله ي ديفرانسيل به صورت زير ارائه کرد:

در واقع سالها قبل از کشف هابل در مورد انبساط فضا، فريدمان دقيقاً کشفيات او را پيش بيني کرده بود. معادله ي” فريدمان” معادله ي اصلي کيهان شناخت نيوتني است و بدون تغيير در نظريه نسبيت عام نيز صادق است. اينشتين بر همه نتايج به دست آمده توسط فريدمان اعتراض کرد و مقاله اي نيز در اين باب انتشار داد. سپس حقايق را در فرضيه فريدمان دي

د و با شجاعت کم نظيري طي نامه اي که براي سردبير مجله آلماني فرستاد به اشتباه خود در محاسباتش اعتراف کرد.
بيشتر مشکلات نسبيت ناشي از خواصي است که که به علت وجود ماده براي فضا قايل مي شوند. که در آن هندسه جاي فيزيک را مي گيرد. زماني پوانکاره گفته بود که اگر مشاهدات ما نشان دهد که فضا نااقليدسي است، فيزيکدانان مي توانند فضاي اقليدسي را قبول کرده و نيروهاي جديدي وارد نظريه هاي خود کنند. اما نسبيت چنين نکرد و ماهيت پد

يده هاي فيزيکي را به دست فراموشي سپرد. هرچند پديده هاي فيزيکي را بدون ابزار محاسباتي، اعم از جبري و هندسي نمي توان توجيه کرد، اما فيزيک نه هندسه است و نه جبر، فيزيک، فيزيک است وبس!!!
۳- مشکل گرانش نيوتني در نسبيت همچنان باقي است
در نسبيت فضا- زمان داراي انحناست. هرچه ماده بيشتر و چگالتر باشد، انحناي فضا بيشتر است. سئوال اين است که اين انحناي فضا تا کجا مي انجامد؟ در نسبيت انحناي فضا مي تواند چنان تابيده شود که حجم به صفر برسد. براي آنکه ماده بتواند چنان بر فضا اثر بگذارد که حجم به صفر برسد، بايد جرم به سمت بي نهايت ميل کند. يعني نسبيت نتوانست مشکل قانون گرانش را در مورد تراکم ماده در فضا حل کند، علاوه بر آن بر مشکل افزود. زيرا قانون نيوتن مي پذيرد که ماده تا بي نهايت مي تواند متمرکز شود، اما حجم صفر با آن سازگار نيست. اما نسبيت علاوه بر آن که مي پذيرد ماده مي تواند تا بي نهايت متراکم شود، پيشگويي مي کند که حجم آن نيز به صفر مي رسد.]
اين بحث را سخنان هاوکينگ ادامه مي دهيم.
نظريه‌ها
نظريه نسبيت عام اينشتين نظريه‌اي در باره جرم هاي بزرگ مثل ستارگان و کهکشان هاست که براي توضيح گرانش در اين سطوح بسيار خوب است.مكانيك كوانتومي نظريه‌اي است كه نيروهاي طبيعت را مانند پيام‌هايي مي‌داند كه بين فرميون‌ها(ذرات ماده) رد و بدل مي‌شوند. اين نظريه اصل نااميدكننده‌اي را نيز كه اصل عدم قطعيت نام دارد در بر مي‌گيرد. بنابر اين اصل هيچگاه ما نمي‌توانيم همزمان مكان و سرعت(تندي و جهت حركت) يك ذره را با دقت بدانيم . با وجود اين مسئله مكانيك كوانتومي در توضيح اشياء، در سطوح بسيار ريز خيلي موفق بوده است.
يك راه براي تركيب اين دو نظريه بزرگ قرن بيستم در يك نظريه واحد آن است كه گرانش را همانطور كه در مورد نيروهاي ديگر با موفقيت به آن عمل مي‌كنيم، مانند پيام ذرات در نظر بگيريم. يك راه ديگر بازنگري نسبيت عام انيشتين در پرتو نظريه عدم قطعيت است.
اما اگر نيروي گرانش را مانند پيام بين ذرات در نظر بگيريم، با مشكلاتي مواجه مي‌شويم.
اگر نيروي گرانش را تبادل گراويتونها (پيام‌رسان‌هاي گرانش) که بين ذرات بدن خود و ذراتي كه كره زمين را تشكيل مي‌دهند، در نظر بگيريد، در اينصورت نيروي گرانشي با روش مكانيك كوانتومي بيان مي‌شود. اما حل اين مسئله از نظر رياضي بغرنج مي‌شود. چون بي‌نهايت‌هايي

حاصل مي‌شوند كه خارج از مفهوم رياضي معنايي ندارند. نظريه‌هاي علم فيزيك واقعاْ نمي‌توانند با اين بي‌نهايت‌ها سر و كار داشته باشند.
آنها اگر در نظريه ها ظاهر شوند تئوريسين‌ها به روشي كه آن را ريترماليزيشن يا بازبهنجارش مي نامند، متوسل مي شوند.
“ريچارد فاينمن” در اين باره مي‌گويد: اين كلمه هر چقدر زيركانه باشد، بازمن آن را يك روش ديوانه‌وار مي‌نامم.
خود او هنگامي كه روي نظريه‌اش در مورد نيروي الكترومغناطيسي كار مي‌كرد، از اين روش سود جست. اما او به اين كار زياد راغب نبود. در اين روش از بي‌نهايت‌هاي ديگري براي خنثي كردن بي‌نهايت‌هاي نخستين، استفاده مي‌شود. نفس اين عمل اگر چه مشكوك است ولي نتيجه در بسياري از موارد كاربرد خوبي دارد. نظريه‌هايي كه با به‌كارگيري اين روش به‌دست مي‌آيند، خيلي خوب با مشاهدات همخواني دارند.
استفاده از روش بازبهنجارش در مورد نيروي الكترومغناطيسي كارساز است ولي در مورد گرانش اين روش موفق نبوده است. بي‌نهايت‌ها در مورد نيروي گرانش از جهتي بدتر از بي‌نهايت‌هاي نيروي الكترومغناطيسي هستند و حذفشان ممكن نيست.
راه ديگر
از طرف ديگر اگر مکانيک كوانتومي را براي مطالعه اجسام بسيار بزرگ در قلمرويي كه گرانش فرمانرواي بي‌چون و چرا است بکار بريم چه خواهد شد؟ به‌ديگر سخن اگر ما آنچه را كه نظريه نسبيت عام در باره گرانش مي‌گويد، در پرتو اصل عدم قطعيت بازنگري كنيم، چه اتفاقي خواهد افتاد؟
همانطور كه گفتيم طبق اصل عدم قطعيت نمي توان با دقت مكان و سرعت يك ذره را همزمان اندازه گرفت. آيا اين بازنگري موجب تفاوت زيادي خواهد شد؟
شرايط مرزي ممكن است به اين نتيجه منتهي شود كه مرزي وجود ندارد حالا كه از ضد و نقيض‌ها گفتيم، يكي ديگر هم اضافه كنيم.
فضاي خالي، خالي نيست
اصل عدم قطعيت بدان معني است كه فضا مملو از ذره و پادذره است.
نظريه نسبيت عام همچنين به مـــا مي‌گويد كـــه وجود ماده يـــا انرژي سبب خميدگي فضا- زمان مي‌شود. يك نمونه خميدگي آشنا مي‌شناسيم. خميدگي باريكه‌هاي نور ستارگان دور هنگامي كه از نزديكي اجسام با جرم بزرگ نظير خورشيد مي‌گذرند.

اين دو موضوع را به‌ياد داشته باشيم
يک – فضاي «خالي» از ذرات و پادذرات پر شده است. جمع كل انرژي آن‌ها مقداري عظيم يا مقداري بي نهايت از انرژي است.
دو – وجود اين انرژي باعث خميدگي فضا- زمان مي‌شود.

ترکيب اين دو ايده ما را به اين نتيجه مي رساند که کل جهان مي بايستي در يک توپ کوچک پيچيده شده باشد. چنين چيزي روي نداده است.
بدين‌سان موقعي كه از نظريه‌هاي نسبيت عام و مكانيك كوانتومي توامان استفاده مي شود، پشگويي آنها اشتباه محض است.
علاوه بر هاوکينگ فيزيکدانان بسياري براي ترکيب دو نظريه نسبيت عام و مکانيک کوانتوم تلاش کردند و در اين زمينه نظريه هاي مختلفي مطرح شد که مهمترين آنها نظريه ريسمانها است. در نظريه ريسمانها نگرش به ذرت شبيه سيمهاي گيتار است که تحت کشش هاي مختلف، نتهاي متفاوتي را توليد مي کنند.
اگر تئوري ريسمان، تئوري گرانش کوانتوم باشد، پس متوسط اندازه ريسمان بايد چيزي نزديک به مقياس گرانش کوانتوم باشد که طول پلانک ناميده مي‌شود.
ريسمان چيست؟
رشته سيمهاي گيتار را تصور کنيد که با کشيده شدن در طول گيتار کوک شده‌اند؛ بسته به آنکه سيمها چقدر کشيده شوند و تحت فشار قرار گيرند، نت‌هاي موسيقي مختلفي بوسيله آنها ايجاد مي‌شود. مي‌توانيم اين نت‌هاي موسيقي را “حالتهاي برانگيخته” سيمهاي گيتار تحت کشش بناميم. به طور مشابه در تئوري ريسمان ذرات بنيادين که در شتابدهنده‌ها مشاهده مي‌شوند را مي‌توانيم نت‌هاي موسيقي و يا همان “حالتهاي برانگيخته” فرض کنيم. شکل زير

در تئوري ريسمان همانند نواختن گيتار، ريسمانها بايد تحت کشش قرار بگيرند تا برانگيخته شوند.

کشش ريسمان
اگرچه ريسمانها در تئوري ريسمان در فضا- زمان شناور هستند و مانند گيتار مقيد نيستند، وليکن با اين حال آنها کشش دارند، کشش ريسمان در تئوري ريسمان با کميت

شناخته مي‌شود و در آن α´ با مربع مقياس طول ريسمان متناسب است.
اگر تئوري ريسمان تئوري گرانش کوانتوم باشد، پس متوسط اندازه ريسمان بايد چيزي نزديک به مقياس طول گرانش کوانتوم باشد که طول پلانک ناميده مي‌شود و حدود ده بتوان منهاي سي و سه سانتيمتر مي‌باشد.
Lp=10-33 cm
متاسفانه اين بدان معناست که ريسمانها به حدي براي ديدن با تکنولوژي فعلي فيزيک ذرات کوچک هستند که فيزيکدانان مجبور به ابداع روشهاي جديدي براي آزمايش تئوري شدند.
ابر تقارن
تئوري در ابتدا فقط براي بوزون‌ها بود، به منظور اينکه فرميون‌ها هم وارد تئوري ريسمان شوند بايد يک نوع بخصوص از تقارني به نام ابرتقارن وجود مي‌داشت که به واسطه آن براي هر بوزون، يک فرميون متناظر وجود داشته باشد. پس ابرتقارن، ذرات حامل نيرو و ذراتي که ماده را مي‌سازند به هم مربوط مي‌کند.
نتايج ابرتقارن در آزمايشات ذرات مشاهده نشده‌اند اما نظريه پردازان معتقد هستند که ذرات ابرتقارن بزرگتر و سنگين‌تر از آن هستند که در شتابدهنده‌هاي فعلي بتوان آنها را مشاهده کرد. ايجاد شتابدهنده‌هاي قوي‌تر در انرژي بالا در دهه آينده مي‌تواند شواهد لازم براي ابرتقارن در اختيار ما قرار دهند
بهنجارش
مهم نبود که هر کس چقدر تلاش مي‌کرد، به نظر مي‌رسيد گرانش به هيچ وجه به نظريه‌اي قابل بهنجارش تبديل نمي‌شود؛ يک مشکل بزرگ اين بود که امواج گران

ش کلاسيک که فرض مي‌شد ذره حامل آن گراويتون است، داراي اسپين ۲ بودند و براي اسپين دو عبارت ۴j-8+D مساوي D مي‌شد و براي D=4انتگرال بينهايت مي‌شد، مثل توان چهارم ممنتوم وقتي که ممنتوم به سمت بينهايت ميل مي‌کند. و اين براي فيزيکدانان غيرقابل هضم بود و سالها تلاش آنها در راه رسيدن به «گرانش کوانتوم» ناکام ماند. در اينجا بود که تئوري ريسمان وارد شد تا اين خلا را پر کند. تئوري ريسمان در اصل براي توصيف روابط ميان جرم و اسپين هادرون‌ها پيشنهاد شده ‌بود. در تئوري ريسمان، ذرات از برآشفتگي ريسمان‌هاي بسيار

ريزي بوجود مي‌آمدند، يک ذره که از اين برآشفتگي‌ها بر مي‌خواست، ذره‌اي بود با جرم صفر و دو واحد اسپين. موفقيتي که تئوري ريسمان داشت اين بود که در مدل دياگرامهاي فاينمن، دياگرامها به سطوح صاف دو بعدي تبديل مي‌شدند و انتگرالهاي روي سطح ديگر مشکل فاصله صفر را نداشتند.
در ۱۹۷۴ نهايتا اين سوال مطرح شد که آيا تئوري ريسمان مي‌تواند تئوري گرانش کوانتوم باشد؟
در تئوري ريسمان، ممنتوم بينهايت به معناي فاصله صفر نبود، زيرا در اين تئوري رابطه بين ممنتوم و فاصله به قرار زير بود

داشت، کميتي بنيادين بر اساس رابطه به تنش ريسمان‌ها بستگي a’ کميت

رابطه بالا به طور غيرمستقيم بيان مي‌کند که کمترين طول قابل مشاهده براي تئوري ريسمان به صورت زير است

تار ذره در فاصله صفر که در تئوري ميدان کوانتوم بسيار مشکل‌ساز بود، در تئوري ريسمان بسيار بي‌اهميت شد و همين باعث شد که تئوري ريسمان نامزد تئوري گرانش کوانتوم شود. اگر تئوري ريسمان، تئوري گرانش کوانتوم باشد، مقدار طول مينيموم بايد حداقل اندازه طول پلانک باشد که از ترکيب ثابت پلانک و ثابت گرانش نيوتون و سرعت نور بدست مي‌آيد.

لازم به ذکر است که مساله مقياس طول در تئوري ريسمان به خاطر دوگانگي ريسمان‌ها پيچيده و مشکل شد.
يک تصوير نو از تئوري ريسمان
متخصص هاي نظريه ي ريسمان بر اين باور هستند که پنج تئوري ابر ريسمان وجود دارد:
IIB نوع IIA نوع I نوع
و دو حالت تئوري ريسمان اکتشافي يا هترو تيک که عبارتند از:
heterotic SO(32) heterotic E8×E8
تفکر اين است که از بين اين پنج نماينده براي تئوري ريسمان تنها يک تئوري درست است ” يک تئوري براي همه چيز ” و مي گفت که فضا – زمان ده بعدي در چهار بعد که امروزه توسط دانشمندان تأييد شده است فشرده شده است.