At fylde det tidlige univers med knuder kan forklare, hvorfor verden er tredimensionel

Næste gang du støder på et knudret virvar af reb eller tråd eller garn, overvej dette:Den naturlige tendens til at tingene floker sig kan hjælpe med at forklare universets tredimensionelle natur og hvordan det dannede sig.

Et internationalt team af fysikere har udviklet en out-of-the-box-teori om, at universet kort efter det opstod for 13,8 milliarder år siden var fyldt med knaster dannet af fleksible energistrenge kaldet fluxrør, der forbinder elementarpartikler med hinanden. Ideen giver en pæn forklaring på, hvorfor vi befinder os i en tredimensionel verden og er beskrevet i et papir med titlen "Knotty inflation and the spaceality of space time" accepteret til offentliggørelse i European Physical Journal C og tilgængelig på arXiv preprint-serveren.

"Selvom spørgsmålet om, hvorfor vores univers har præcis tre (store) rumlige dimensioner, er et af de mest dybtgående gåder i kosmologi ... er det faktisk kun lejlighedsvis behandlet i den [videnskabelige] litteratur, "artiklen begynder.

For en ny løsning på dette puslespil, de fem medforfattere-fysikprofessorer Arjun Berera ved University of Edinburgh, Roman Buniy ved Chapman University, Heinrich Päs (forfatter til "The Perfect Wave:With Neutrinos at the Boundary of Space and Time") ved universitetet i Dortmund, João Rosa ved University of Aveiro og Thomas Kephart ved Vanderbilt University - tog et fælles element fra standardmodellen for partikelfysik og blandede det med en lille grundlæggende knudeori for at producere et nyt scenario, der ikke kun kan forklare overvægten af ​​tre dimensioner, men giver også en naturlig kraftkilde til den inflationære vækstspurt, som de fleste kosmologer mener, at universet gik igennem mikrosekunder efter, at det brød ud.

Det fælles element, som fysikerne lånte, er "fluxrøret" bestående af kvarker, de elementære partikler, der udgør protoner og neutroner, holdes sammen af ​​en anden type elementarpartikel kaldet en gluon, der "limer" kvarker sammen. Gluoner forbinder positive kvarker med matchende negative antikvarker med fleksible energistrenge kaldet fluxrør. Når de forbundne partikler trækkes fra hinanden, fluxrøret bliver længere, indtil det når et punkt, hvor det går i stykker. Når det gør, det frigiver nok energi til at danne et andet kvark-antikvark-par, der deler sig og binder sig med de originale partikler, producerer to par bundne partikler. (Processen ligner at skære en stangmagnet i to for at få to mindre magneter, både med nord- og sydpolen.)

"Vi har taget det velkendte fænomen fluxrøret og sparket det op til et højere energiniveau, "sagde Kephart, professor i fysik ved Vanderbilt.

Fysikerne har siden 2012 udarbejdet detaljerne i deres nye teori, da de deltog i en workshop, som Kephart arrangerede ved Isaac Newton Institute i Cambridge, England. Berera, Buniy og Päs kendte alle Kephart, fordi de blev ansat som postdoktorer på Vanderbilt, før de fik fakultetsansættelser. I diskussioner på workshoppen, gruppen blev fascineret af muligheden for, at fluxrør kunne have spillet en nøglerolle i den indledende dannelse af universet.

Ifølge nuværende teorier, da universet blev skabt, blev det oprindeligt fyldt med en overophedet og elektrisk ladet væske kaldet kvark-gluonplasma. Dette bestod af en blanding af kvarker og gluoner. (I 2015 blev kvark-gluonplasma med succes genskabt i en partikelaccelerator, den relativistiske Heavy Ion Collider ved Brookhaven National Laboratory, af en international gruppe af fysikere, inklusive fem fra Vanderbilt:Stevenson Chair in Physics Victoria Greene, og professorer i fysik Will Johns, Charles Maguire, Paul Sheldon og Julia Velkovska.)

Kephart og hans samarbejdspartnere indså, at en version med højere energi af kvark-gluonplasma ville have været et ideelt miljø for dannelse af fluxrør i det meget tidlige univers. Det store antal par kvarker og antikvarker, der spontant blev skabt og tilintetgjort, ville skabe utallige fluxrør.

Normalt, fluxrøret, der forbinder en kvark og antikvark, forsvinder, når de to partikler kommer i kontakt og selv tilintetgør, men der er undtagelser.

Hvis et rør har form af en knude, for eksempel, så bliver den stabil og kan overleve partiklerne, der skabte den. Hvis en af ​​partikler sporer vejen til en overhåndsknude, for eksempel, så vil dets fluxrør danne en trefoil knude. Som resultat, det knyttede rør vil fortsat eksistere, selv efter at de partikler, den forbinder, tilintetgør hinanden. Stabile fluxrør skabes også, når to eller flere fluxrør bliver indbyrdes forbundet. Det enkleste eksempel er Hopf -linket, som består af to sammenkoblede cirkler.

På denne måde, hele universet kunne have fyldt op med et tæt netværk af fluxrør, forestillede forfatterne sig. Derefter, når de beregner, hvor meget energi et sådant netværk kan indeholde, de blev glædeligt overrasket over at opdage, at det var nok til at drive en tidlig periode med kosmisk inflation.

Siden ideen om kosmisk inflation blev introduceret i begyndelsen af ​​1980'erne, kosmologer har generelt accepteret påstanden om, at det tidlige univers gennemgik en periode, hvor det udvidede sig fra en protons størrelse til en grapefrugt på mindre end en billioner af et sekund.

Denne periode med hyperekspansion løser to vigtige problemer i kosmologi. Det kan forklare observationer af, at rummet er både fladere og glattere end astrofysikere mener, det burde være. På trods af disse fordele, accept af teorien er blevet forhindret, fordi en passende energikilde ikke er blevet identificeret.

"Vores fluxrørnetværk leverer ikke kun den energi, der er nødvendig for at drive inflation, det forklarer også hvorfor det stoppede så brat, "sagde Kephart." Da universet begyndte at ekspandere, flux-tube-netværket begyndte at henfalde og til sidst brød, eliminerer den energikilde, der drev udvidelsen."

Da netværket gik i stykker, det fyldte universet med en gas af subatomære partikler og stråling, lader universets udvikling fortsætte langs de linjer, der tidligere er blevet bestemt.

Det mest karakteristiske ved deres teori er, at den giver en naturlig forklaring på en tredimensionel verden. Der er en række højere dimensionelle teorier, såsom strengteori, der visualiserer universet som at have ni eller ti rumlige dimensioner. Generelt, deres fortalere forklarer, at disse højere dimensioner er skjult for synet på en eller anden måde.

Flux-tube teoriens forklaring kommer fra grundlæggende knudeteori. "Det var Heinrich Päs, der vidste, at knuder kun dannes i tre dimensioner og ville bruge denne kendsgerning til at forklare, hvorfor vi lever i tre dimensioner, "sagde Kephart.

Et todimensionelt eksempel hjælper med at forklare. Sig, at du sætter en prik i midten af ​​en cirkel på et ark papir. Der er ingen måde at frigøre cirklen fra prikken, mens du opholder dig på arket. Men hvis du tilføjer en tredje dimension, du kan løfte cirklen over prikken og flytte den til den ene side, indtil prikken ikke længere er inde i cirklen, før den sænkes ned igen. Noget lignende sker med tredimensionelle knuder, hvis du tilføjer en fjerde dimension-matematikere har vist, at de løser op. "Af denne grund kan knudede eller forbundne rør ikke dannes i højere dimensioner, "sagde Kephart.

Nettoresultatet er, at inflationen ville have været begrænset til tre dimensioner. Yderligere dimensioner, hvis de findes, ville forblive uendelig lille i størrelse, alt for lille til, at vi kan opfatte det.

Det næste trin for fysikerne er at udvikle deres teori, indtil den laver nogle forudsigelser om universets natur, der kan testes.