podría explicar por qué el mundo es tridimensional
Crédito de la imagen: (Keith Wood / Vanderbilt)
Por David Salisbury, para Vanderbilt University news | 13 de octubre de 2017
La próxima vez que te encuentres con un revoltijo anudado de cuerda, alambre o hilo, reflexiona sobre esto: la tendencia natural de que las cosas se enreden puede ayudar a explicar la naturaleza tridimensional del universo y cómo se formó.
Un equipo internacional de físicos ha desarrollado una teoría inmediata que, poco después de su aparición, hace 13.800 millones de años, el universo se llenó de nudos formados por hilos flexibles de energía llamados tubos de flujo que unen las partículas elementales. La idea proporciona una clara explicación de por qué habitamos un mundo tridimensional y se describe en un artículo titulado "Inflamación nudosa y la dimensionalidad del espacio" aceptado para su publicación en el European Physical Journal C y disponible en el servidor arXiv preprint.
"Aunque la cuestión de por qué nuestro universo tiene exactamente tres dimensiones espaciales (grandes) es uno de los enigmas más profundos de la cosmología ... en realidad, solo de vez en cuando se aborda en la literatura (científica)", comienza el artículo.
Para una nueva solución a este rompecabezas, los cinco coautores: los profesores de física Arjun Berera en la Universidad de Edimburgo, Roman Buniy en la Universidad de Chapman, Heinrich Päs (autor de The Perfect Wave: With Neutrinos at the Límite de Space and Time) en la Universidad de Dortmund, João Rosa en la Universidad de Aveiro y Thomas Kephart en la Universidad de Vanderbilt, tomaron un elemento común del modelo estándar de la física de partículas y lo mezclaron con una pequeña teoría del nudo básico para producir un escenario novedoso que no solo puede explicar el predominancia de tres dimensiones, pero también proporciona una fuente de energía natural para el crecimiento inflacionario que la mayoría de los cosmólogos creen que el universo pasó por microsegundos después de que irrumpió en la existencia.
Thomas Kephart. Crédito de la imagen: (Joe Howell / Vanderbilt)
El elemento común que los físicos tomaron prestado es el "tubo de flujo" compuesto por quarks, las partículas elementales que forman protones y neutrones, unidas por otro tipo de partículas elementales llamadas gluones que "pegan" los quarks. Los gluones vinculan los quarks positivos con los antiquarks negativos coincidentes con hebras flexibles de energía llamadas tubos de flujo. A medida que se separan las partículas enlazadas, el tubo de flujo se alarga hasta que alcanza un punto en el que 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. (El proceso es similar a cortar un imán de barra por la mitad para obtener dos imanes más pequeños, ambos con polos norte y sur).
"Tomamos el fenómeno conocido del tubo de flujo y lo elevamos a un nivel de energía más alto", dijo Kephart, profesor de física en Vanderbilt.
Los físicos han estado trabajando los detalles de su nueva teoría desde 2012, cuando asistieron a un taller que Kephart organizó en el Instituto Isaac Newton en Cambridge, Inglaterra. Berera, Buniy y Päs conocían a Kephart porque estaban empleados como becarios postdoctorales en Vanderbilt antes de obtener nombramientos de profesores. En las discusiones en el taller, el grupo se sintió intrigado por la posibilidad de que los tubos de flujo.
El gráfico de computadora que muestra el tipo de red apretada de tubos de flujo que los físicos proponen puede haber llenado el universo primitivo. Crédito de la imagen: (Thomas Kephart / Vanderbilt)
De acuerdo con las teorías actuales, cuando se creó el universo, inicialmente se llenó con una sopa primordial sobrecalentada llamada plasma quark-gluon. Esto consistía en una mezcla de quarks y gluones. (En 2005, el plasma Quark-Gluon fue recreado con éxito en un acelerador de partículas, el Relativistic Heavy Ion Collider en el Laboratorio Nacional Brookhaven, por un grupo internacional de físicos, incluidos tres de Vanderbilt: Stevenson Chair in Physics Victoria Greene y Professors of Physics Charles Maguire y Julia Velkovska).
Kephart y sus colaboradores se dieron cuenta de que una versión de energía más alta del plasma quark-gluon habría sido un entorno ideal para la formación de tubos de flujo en el universo primitivo. La gran cantidad de pares de quarks y antiquarks que se crearon y aniquilaron espontáneamente crearía miríadas de tubos de flujo.
Arjun Berera (enviado)
Normalmente, el tubo de flujo que une un quark y un antiquark desaparece cuando las dos partículas entran en contacto y se aniquilan, pero hay excepciones.
Si un tubo toma la forma de un nudo, por ejemplo, entonces se vuelve estable y puede sobrevivir a las partículas que lo crearon. Si una de las partículas traza el camino de un nudo por encima, por ejemplo, entonces su tubo de flujo formará un nudo de trébol. Como resultado, el tubo anudado seguirá existiendo, incluso después de que las partículas que une se aniquilan entre sí. También se crean tubos de flujo estables cuando dos o más tubos de flujo se entrelazan. El ejemplo más simple es el enlace Hopf, que consta de dos círculos entrelazados.
De esta manera, todo el universo podría haberse llenado con una red estrecha de tubos de flujo, imaginaron los autores. Luego, cuando calcularon la cantidad de energía que tal red podría contener, se sorprendieron gratamente al descubrir que fue suficiente para alimentar un período temprano de inflación cósmica.
João Rosa (enviado)
Desde que se introdujo la idea de la inflación cósmica a principios de la década de 1980, los cosmólogos generalmente aceptaron la proposición de que el universo primitivo pasó por un período en el que se expandió del tamaño de un protón al tamaño de un pomelo en menos de una billonésima de segundo .
Este período de hiper-expansión resuelve dos problemas importantes en la cosmología. Puede explicar las observaciones de que el espacio es más plano y más suave de lo que los astrofísicos creen que debería ser. A pesar de estas ventajas, la aceptación de la teoría se ha visto obstaculizada porque no se ha identificado una fuente de energía apropiada.
Roman Buniy (enviado)
"Nuestra red de tubos de flujo no solo proporciona la energía necesaria para controlar la inflación, sino que también explica por qué se detuvo tan abruptamente", dijo Kephart. "A medida que el universo comenzó a expandirse, la red de tubos de flujo comenzó a descomponerse y finalmente se rompió, eliminando la fuente de energía que estaba alimentando la expansión".
Cuando la red se rompió, llenó el universo con un gas de partículas subatómicas y radiación, permitiendo que la evolución del universo continuara a lo largo de las líneas que se habían determinado previamente.
La característica más distintiva de su teoría es que proporciona una explicación natural para un mundo tridimensional. Hay una serie de teorías dimensionales superiores, como la teoría de cuerdas, que visualizan el universo como si tuvieran nueve o diez dimensiones espaciales. En general, sus defensores explican que estas dimensiones superiores están ocultas de la vista de una u otra manera.
La explicación de la teoría del tubo de flujo proviene de la teoría del nudo básico. "Fue Heinrich Päs quien supo que los nudos solo se forman en tres dimensiones y quisieron usar este hecho para explicar por qué vivimos en tres dimensiones", dijo Kephart.
Un ejemplo bidimensional ayuda a explicar. Digamos que coloca un punto en el centro de un círculo en una hoja de papel. No hay forma de liberar el círculo del punto mientras se queda en la hoja. Pero si agrega una tercera dimensión, puede levantar el círculo sobre el punto y moverlo hacia un lado hasta que el punto ya no esté dentro del círculo antes de volver a bajar. Algo similar sucede con los nudos tridimensionales si agrega una cuarta dimensión: los matemáticos han demostrado que se desenredan. "Por esta razón, los tubos anudados o unidos no pueden formarse en espacios de mayor dimensión", dijo Kephart.
El resultado neto es que la inflación se habría limitado a tres dimensiones. Las dimensiones adicionales, si existen, seguirían siendo infinitesimales, demasiado pequeñas para que podamos percibirlas.
El siguiente paso para los físicos es desarrollar su teoría hasta que haga algunas predicciones sobre la naturaleza del universo que pueden probarse.
La investigación fue respaldada por la subvención del Departamento de Energía de EE. UU. DE-SC0010504, la Fundación Alexander von Humboldt, la Comisión Europea y la Fundación Portuguesa de Ciencia y Tecnología.
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Nuestro mundo tridimensional puede provenir de la tendencia de la naturaleza a enredarse.
Crédito de la imagen: (Keith Wood / Vanderbilt)
Por David Salisbury, para Vanderbilt University news | 13 de octubre de 2017
La próxima vez que te encuentres con un revoltijo anudado de cuerda, alambre o hilo, reflexiona sobre esto: la tendencia natural de que las cosas se enreden puede ayudar a explicar la naturaleza tridimensional del universo y cómo se formó.
Un equipo internacional de físicos ha desarrollado una teoría inmediata que, poco después de su aparición, hace 13.800 millones de años, el universo se llenó de nudos formados por hilos flexibles de energía llamados tubos de flujo que unen las partículas elementales. La idea proporciona una clara explicación de por qué habitamos un mundo tridimensional y se describe en un artículo titulado "Inflamación nudosa y la dimensionalidad del espacio" aceptado para su publicación en el European Physical Journal C y disponible en el servidor arXiv preprint.
"Aunque la cuestión de por qué nuestro universo tiene exactamente tres dimensiones espaciales (grandes) es uno de los enigmas más profundos de la cosmología ... en realidad, solo de vez en cuando se aborda en la literatura (científica)", comienza el artículo.
Para una nueva solución a este rompecabezas, los cinco coautores: los profesores de física Arjun Berera en la Universidad de Edimburgo, Roman Buniy en la Universidad de Chapman, Heinrich Päs (autor de The Perfect Wave: With Neutrinos at the Límite de Space and Time) en la Universidad de Dortmund, João Rosa en la Universidad de Aveiro y Thomas Kephart en la Universidad de Vanderbilt, tomaron un elemento común del modelo estándar de la física de partículas y lo mezclaron con una pequeña teoría del nudo básico para producir un escenario novedoso que no solo puede explicar el predominancia de tres dimensiones, pero también proporciona una fuente de energía natural para el crecimiento inflacionario que la mayoría de los cosmólogos creen que el universo pasó por microsegundos después de que irrumpió en la existencia.
Thomas Kephart. Crédito de la imagen: (Joe Howell / Vanderbilt)
El elemento común que los físicos tomaron prestado es el "tubo de flujo" compuesto por quarks, las partículas elementales que forman protones y neutrones, unidas por otro tipo de partículas elementales llamadas gluones que "pegan" los quarks. Los gluones vinculan los quarks positivos con los antiquarks negativos coincidentes con hebras flexibles de energía llamadas tubos de flujo. A medida que se separan las partículas enlazadas, el tubo de flujo se alarga hasta que alcanza un punto en el que 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. (El proceso es similar a cortar un imán de barra por la mitad para obtener dos imanes más pequeños, ambos con polos norte y sur).
"Tomamos el fenómeno conocido del tubo de flujo y lo elevamos a un nivel de energía más alto", dijo Kephart, profesor de física en Vanderbilt.
Los físicos han estado trabajando los detalles de su nueva teoría desde 2012, cuando asistieron a un taller que Kephart organizó en el Instituto Isaac Newton en Cambridge, Inglaterra. Berera, Buniy y Päs conocían a Kephart porque estaban empleados como becarios postdoctorales en Vanderbilt antes de obtener nombramientos de profesores. En las discusiones en el taller, el grupo se sintió intrigado por la posibilidad de que los tubos de flujo.
El gráfico de computadora que muestra el tipo de red apretada de tubos de flujo que los físicos proponen puede haber llenado el universo primitivo. Crédito de la imagen: (Thomas Kephart / Vanderbilt)
De acuerdo con las teorías actuales, cuando se creó el universo, inicialmente se llenó con una sopa primordial sobrecalentada llamada plasma quark-gluon. Esto consistía en una mezcla de quarks y gluones. (En 2005, el plasma Quark-Gluon fue recreado con éxito en un acelerador de partículas, el Relativistic Heavy Ion Collider en el Laboratorio Nacional Brookhaven, por un grupo internacional de físicos, incluidos tres de Vanderbilt: Stevenson Chair in Physics Victoria Greene y Professors of Physics Charles Maguire y Julia Velkovska).
Kephart y sus colaboradores se dieron cuenta de que una versión de energía más alta del plasma quark-gluon habría sido un entorno ideal para la formación de tubos de flujo en el universo primitivo. La gran cantidad de pares de quarks y antiquarks que se crearon y aniquilaron espontáneamente crearía miríadas de tubos de flujo.
Arjun Berera (enviado)
Normalmente, el tubo de flujo que une un quark y un antiquark desaparece cuando las dos partículas entran en contacto y se aniquilan, pero hay excepciones.
Si un tubo toma la forma de un nudo, por ejemplo, entonces se vuelve estable y puede sobrevivir a las partículas que lo crearon. Si una de las partículas traza el camino de un nudo por encima, por ejemplo, entonces su tubo de flujo formará un nudo de trébol. Como resultado, el tubo anudado seguirá existiendo, incluso después de que las partículas que une se aniquilan entre sí. También se crean tubos de flujo estables cuando dos o más tubos de flujo se entrelazan. El ejemplo más simple es el enlace Hopf, que consta de dos círculos entrelazados.
De esta manera, todo el universo podría haberse llenado con una red estrecha de tubos de flujo, imaginaron los autores. Luego, cuando calcularon la cantidad de energía que tal red podría contener, se sorprendieron gratamente al descubrir que fue suficiente para alimentar un período temprano de inflación cósmica.
João Rosa (enviado)
Desde que se introdujo la idea de la inflación cósmica a principios de la década de 1980, los cosmólogos generalmente aceptaron la proposición de que el universo primitivo pasó por un período en el que se expandió del tamaño de un protón al tamaño de un pomelo en menos de una billonésima de segundo .
Este período de hiper-expansión resuelve dos problemas importantes en la cosmología. Puede explicar las observaciones de que el espacio es más plano y más suave de lo que los astrofísicos creen que debería ser. A pesar de estas ventajas, la aceptación de la teoría se ha visto obstaculizada porque no se ha identificado una fuente de energía apropiada.
Roman Buniy (enviado)
"Nuestra red de tubos de flujo no solo proporciona la energía necesaria para controlar la inflación, sino que también explica por qué se detuvo tan abruptamente", dijo Kephart. "A medida que el universo comenzó a expandirse, la red de tubos de flujo comenzó a descomponerse y finalmente se rompió, eliminando la fuente de energía que estaba alimentando la expansión".
Cuando la red se rompió, llenó el universo con un gas de partículas subatómicas y radiación, permitiendo que la evolución del universo continuara a lo largo de las líneas que se habían determinado previamente.
La característica más distintiva de su teoría es que proporciona una explicación natural para un mundo tridimensional. Hay una serie de teorías dimensionales superiores, como la teoría de cuerdas, que visualizan el universo como si tuvieran nueve o diez dimensiones espaciales. En general, sus defensores explican que estas dimensiones superiores están ocultas de la vista de una u otra manera.
La explicación de la teoría del tubo de flujo proviene de la teoría del nudo básico. "Fue Heinrich Päs quien supo que los nudos solo se forman en tres dimensiones y quisieron usar este hecho para explicar por qué vivimos en tres dimensiones", dijo Kephart.
Un ejemplo bidimensional ayuda a explicar. Digamos que coloca un punto en el centro de un círculo en una hoja de papel. No hay forma de liberar el círculo del punto mientras se queda en la hoja. Pero si agrega una tercera dimensión, puede levantar el círculo sobre el punto y moverlo hacia un lado hasta que el punto ya no esté dentro del círculo antes de volver a bajar. Algo similar sucede con los nudos tridimensionales si agrega una cuarta dimensión: los matemáticos han demostrado que se desenredan. "Por esta razón, los tubos anudados o unidos no pueden formarse en espacios de mayor dimensión", dijo Kephart.
El resultado neto es que la inflación se habría limitado a tres dimensiones. Las dimensiones adicionales, si existen, seguirían siendo infinitesimales, demasiado pequeñas para que podamos percibirlas.
El siguiente paso para los físicos es desarrollar su teoría hasta que haga algunas predicciones sobre la naturaleza del universo que pueden probarse.
La investigación fue respaldada por la subvención del Departamento de Energía de EE. UU. DE-SC0010504, la Fundación Alexander von Humboldt, la Comisión Europea y la Fundación Portuguesa de Ciencia y Tecnología.
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