Una erupción de nudos cósmicos en el Big Bang puede explicar por qué nuestro universo tiene tres dimensiones. Crédito de la imagen: Keith Wood / Vanderbilt
Por Nancy Atkinson, para Space.com | 23 de octubre de 2017
Damos por hecho que vivimos en un mundo de tres dimensiones gobernadas por las leyes de la física, y muchas veces no nos preguntamos por qué. Pero un grupo de físicos acaba de tramar una nueva teoría que creen que puede explicar nuestro universo tridimensional.
Los físicos piensan que su nuevo modelo también podría explicar la inflación, la expansión exponencial del espacio que experimentó el universo momentos después del Big Bang.
Thomas Kephart de la Universidad de Vanderbilt y cuatro de sus colegas de todo el mundo querían descubrir por qué nuestro universo aparentemente tiene solo tres dimensiones, especialmente porque, como escribieron, "los escenarios de gravedad cuántica como la teoría de cuerdas ... asumen nueve o diez espacios dimensiones en el nivel fundamental ".
Combinaron la física de partículas con la teoría matemática de nudos para tratar de resolver esto, tomando prestado el concepto de "tubos de flujo", que son hebras flexibles de energía que unen las partículas elementales.
Quarks, las partículas elementales que componen los protones y los neutrones, se mantienen unidos por otro tipo de partículas elementales llamadas gluones que "pegan" quarks juntos. Los gluones unen los quarks positivos para hacer coincidir los antiquarks negativos con estos filamentos de energía del tubo de flujo.
Normalmente, el tubo de flujo que une un quark y un antiquark desaparecería cuando las dos partículas entren en contacto: se autoaniquilarían. Pero, dijo el equipo en un documento publicado por el European Physical Journal C, si dos o más tubos de flujo se entrelazan, se vuelve estable. Si los tubos toman la forma de un nudo, se vuelven aún más estables y pueden sobrevivir a las partículas que lo crearon.
"Un nudo o enlace entre dos tubos de flujo solo es clásicamente estable si estos no pueden cruzarse y reconectarse o atravesarse", escribieron los investigadores. "Dichas intercomunicaciones conducen al conocido comportamiento de escalamiento en redes de cadenas cósmicas, que se ha observado en varios ejemplos de cadenas que no interactúan".
En momentos de transición, como lo que sucedió durante el Big Bang, las partículas vinculadas se separarían, y el tubo de flujo se alargaría hasta llegar al punto donde se rompe. Cuando lo hace, libera suficiente energía para formar un segundo par quark-antiquark que se divide y se une con las partículas originales, produciendo dos pares de partículas unidas.
Los físicos equipararon esto a cómo cortar un imán de barra a la mitad produce dos imanes más pequeños que tienen polos norte y sur.
Si los tubos estuvieran anudados, podrían expandirse y multiplicarse rápidamente. El equipo calculó la energía que podría contener esta red de tubos de flujo y descubrió que sería suficiente para impulsar un período inicial de inflación cósmica.
Si bien esto parece una increíble cantidad de acción en un período de tiempo tan corto -la teoría de la inflación sugiere que el universo se expandió exponencialmente en milisegundos- Kephart le dijo a Seeker que los tubos de flujo se forman naturalmente durante los tiempos de transición.
"Los tubos de flujo se forman en transiciones de fase donde pueden surgir formas complejas de materia", explicó en un correo electrónico. "Por ejemplo, el vapor de agua es estructuralmente simple, pero si se enfría rápidamente se obtiene una ráfaga de copos de nieve: todos se ven diferentes y la nueva fase parece mucho más compleja".
En un ambiente de energía extremadamente alta, el equipo dijo que el plasma de quark-gluón habría sido un entorno ideal para la formación rápida de tubos de flujo en el universo primitivo.
Pero, de manera crucial, notaron que esto solo funcionaría si el universo existiera en tres dimensiones. Si agrega más dimensiones, el proceso se vuelve inestable.
"De todas las posibles dimensiones del espacio, nuestro mecanismo selecciona tres como el único número de dimensiones que pueden inflarse y, por lo tanto, hacerse grandes", escribió el equipo. "Este modelo puede explicar por qué vivimos en tres dimensiones espaciales grandes, ya que los tubos anudados / vinculados son topológicamente inestables en espacios-espacio de mayor dimensión".
Esto estaría técnicamente de acuerdo con un modelo informático de 2012, donde los científicos japoneses descubrieron que en el momento del Big Bang, el universo tenía 10 dimensiones, pero solo tres de estas dimensiones espaciales se expandieron. Entonces, el espacio tridimensional que experimentamos podría haberse formado a partir de 10 dimensiones, tal como lo predice la teoría de supercuerdas.
Su nueva teoría también estaría de acuerdo con ciertas teorías gauge, que son teorías utilizadas por los físicos que describen los límites de las leyes físicas y cómo se aplican a las transformaciones simétricas.
Kephart señaló que esta nueva teoría del tubo de flujo también abarca lo que sucedió después de la inflación.
"Nuestra red de tubos de flujo no solo proporciona la energía necesaria para impulsar la inflación, también explica por qué se detuvo tan abruptamente", dijo en un comunicado. "A medida que el universo comenzó a expandirse, la red de tubos de flujo comenzó a descomponerse y, finalmente, se desintegró, eliminando la fuente de energía que impulsaba la expansión".
Los investigadores dicen que cuando la red se rompió, llenó el universo con un gas de partículas subatómicas y radiación, permitiendo que la evolución del universo continúe a lo que vemos hoy.
"Esto combina el conocimiento de las teorías de gauge y la posibilidad de que una configuración uniforme inicial se pueda condensar en tubos de flujo", dijo Kephart a Seeker, "junto con el hecho de que los nudos y enlaces para cadenas solo pueden ser estables en 3D, más el estado actual del teoría del Universo temprano y la necesidad de una forma natural de inflarse ".
Si bien todo esto es teórico, Kephart dijo que el siguiente paso sería continuar desarrollando su teoría hasta que pueda hacer algunas predicciones sobre la naturaleza del universo que realmente pueda ser probada.
Originalmente publicado en Seeker.
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